Слайд 14. Образ природы в классическом естествознании.
4.1. Корпускулярная концепция
классической физике.
4.2. Континуальная концепция в
классической физике.
4.3. Электромагнитные волны.
4.4. СТО и концепция единого
пространства-времени.
4.5. Основные положения общей теории
относительности.
4.6. Свойства пространства-времени и
законы сохранения.
Слайд 24.1. Корпускулярная концепция в классической физике
МОДЕЛЬ КОРПУСКУЛЫ:
Любой реальный объект может
быть заменен моделью частицы.
Моделируемый объект обособляется от его окружения:
а) влиянием
окружения пренебрегают полностью – модель свободной частицы;
б) воздействие окружения учитывают в виде результирующей силы – модель несвободной частицы.
Слайд 3Ньютоновская механика
«Математические начала натуральной философии»:
1687 г.
Предмет изучения – тело,
которое совершает движение в пространстве и времени.
Пространство является трехмерным, существует
само по себе, является «вместилищем» тел.
Время выражает порядок смены физических состояний, оно течет всегда и везде одинаково.
Пространство и время абсолютны, независимы друг от друга и не связаны с материей.
Слайд 4Система отсчета - совокупность системы координат и синхронизированных часов.
Основные понятия
Две независимые характеристики частицы: скорость (или импульс) и координаты
(или радиус-вектор) полностью описывают состояние частицы.
Слайд 5Законы механики Ньютона
1 закон (закон инерции)
Всякое тело сохраняет состояние покоя
или равномерного прямолинейного движения, пока внешние воздействия не изменят этого
состояния.
1 закон устанавливает:
неизменность импульса в модели свободной частицы
факт существования инерциальных систем.
Инерциальной называется система отсчета, в которой справедлив закон инерции.
Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково.
Слайд 62 закон
Изменение импульса тела пропорционально приложенной движущей силе и происходит
по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
2 закон
устанавливает:
Изменение импульса в модели несвободной частицы.
Из 2 закона следует основное уравнение динамики:
Слайд 73 закон
Взаимодействия двух тел друг на друга равны между собой
и направлены в противоположные стороны (сила действия по величине равна
силе противодействия).
3 закон осуществляет:
Переход к динамике системы точек (твердому телу).
Слайд 8Механистическая картина МИРа
1. Утверждается принцип дальнодействия: взаимодействие между телами происходит
мгновенно через пустое пространство.
2. Закономерности, по которым однозначно вычисляются будущие
состояния системы, названы закономерности динамического типа.
3. Формируется представление о жесткой предопределенности (детерминированности) событий в природе.
Впервые сформулировано Лапласом, французский физик и математик 1749-1827 г. - лапласовский детерминизм.
Полное отрицание роли случайности в природе!
Слайд 94.1. Континуальная концепция в классической физике
Начало концепции поля:
Рене Декарт, французский ученый
(1596 -1650 г.): взаимодействие материи через эфир – тончайшую жидкость безграничной
протяженности.
Христиан Гюйгенс, голландский ученый (1629 – 1695 г.) – светоносный эфир.
Бенджамин Франклин, американский ученый (1706 –1790 г.) – электрический эфир.
Франц Эпинус, российский физик (1724 – 1802 г.) – магнитная жидкость.
Слайд 10Основоположник понятия поля – Майкл Фарадей.
М. Фарадей: «электрическое взаимодействие тел
происходит на расстоянии посредством силовых линий, которые соединяют тела друг
с другом».
Полем называется совокупность значений физической величины, характеризующей сплошную среду в каждой ее точке.
Утверждается принцип близкодействия: взаимодействие между телами осуществляется с конечной скоростью посредством различных полей, непрерывно распределенных в пространстве.
Слайд 11Классификация полей
Скалярные поля
Температур Т = Т(x,y,z,)
Давлений Р = Р(x,y,z,)
Концентраций n=n(x,y,z)
Распределение
доходов, ресурсов, народонаселения…
Векторные поля
Скоростей
Электрическое поле
Магнитное поле
Гравитационное поле
Графически - силовые
линии, линии тока, изотермы, изобары, эквипотенциальные поверхности и т.д.
Динамический характер зависимостей сохраняется.
Слайд 12Электростатическое поле точечного заряда
Поле температур на поверхности трубы
Слайд 13Классическая электродинамика
Электрическое поле создается электрическими зарядами.
Основная характеристика – вектор
напряженности электрического поля.
Направление этого вектора совпадает с направлением электростатической
силы, действующей на положительный заряд.
Магнитное поле создается движущимися зарядами и токами.
Основная характеристика – вектор магнитной индукции.
Направление этого вектора совпадает с магнитной стрелкой от ее южного полюса к северному.
Слайд 14Электромагнитная индукция
Закон Фарадея: любое изменение магнитного потока через проводящий контур
приводит к возникновению электродвижущей силы в контуре и по контуру
идет ток.
Магнитный поток
ЭДС электромагнитной индукции
Слайд 154.3. Электромагнитные волны.
Теория Максвелла
Всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем
пространстве переменное электрическое поле.
Всякое изменение электрического поля вызывает в окружающем
пространстве появление переменного магнитного поля.
7 уравнений теории Максвелла.
Основной вывод: возможность автономного существования электромагнитного поля, как особого вида материи.
Слайд 16Электромагнитная волна - переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с
конечной скоростью.
Слайд 194.4. СТО и концепция единого пространства-времени
В классической физике природа
предстала в виде двух картин мира:
механистической и электромагнитной.
Между ними возникли противоречия.
В классической механике пространство и время:
абсолютны,
независимы друг от друга,
не связаны с материей.
Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково.
Слайд 20Преобразование координат по принципу относительности Галилея
Закон сложения скоростей
противоречит электродинамике Максвелла.
Две
инерциальные системы: ХОY и Х0OY0.
Слайд 21Ньютоновская механика
Релятивистская механика (СТО)
1. Принцип относительности Галилея
«Во всех инерциальных системах
отсчета все механические явления протекают одинаково»
1. Принцип относительности Эйнштейна
«Во всех
инерциальных системах отсчета все физические явления протекают одинаково»
2. Принцип инвариантности времени
«Во всех инерциальных системах ход времени одинаков»
2. Принцип инвариантности скорости света
«Во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова»
Слайд 22Закон сложения скоростей в СТО:
Вывод: Ньютоновская механика является частным случаем
СТО и вполне применима для движений со скоростями, много меньше
скорости света в вакууме.
Релятивистская динамика
Согласно СТО, каждое тело обладает энергией покоя (собственной энергией) Е0 = mc2.
Закон взаимосвязи энергии и массы: энергия и масса являются двумя однозначно связанными характеристиками материи: Е = mc2 .
Слайд 234.5. Общая теория относительности
Расширенный принцип относительности:
во всех и инерциальных и неинерциальных системах отсчета все
физические явления протекают одинаково.
Принцип инвариантности скорости света: во всех системах отсчета скорость света в вакууме одинакова.
Принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс: кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения.
Слайд 24Свойства пространства-времени зависят от поля тяготения.
В поле тяготения пространство обладает
кривизной.
Слайд 254.2. Свойства пространства-времени и законы сохранения
Пространство и время объективны и
реальны.
Пространство и время являются универсальными, всеобщими формами существования материи.
Пространство обратимо (в каждую точку пространства можно снова и снова возвращаться) и трехмерно.
Время необратимо и одномерно.
Пространство и время обладают симметрией.
Платон: «Быть прекрасным, значит быть симметричным и соразмерным».
Слайд 26Симметрия – инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его
преобразований (сдвигов, вращений, и т.д.).
Слайд 27Из симметрии относительно
сдвигов следует свойство, называемое однородностью.
Из симметрии относительно поворота следует свойство, называемое изотропностью.
ПРОСТРАНСТВО обладает:
однородностью - отсутствие в нем каких-либо особых точек,
изотропностью - равноправность всех возможных направлений.
ВРЕМЯ обладает только однородностью - равноправие всех его моментов.
Слайд 28Законы сохранения и симметрия
Симметрия и законы сохранения являются взаимосвязанными проявлениями
фундаментальных свойств материи.
Теорема Эмми Нетёр, немецкий математик
(1882-1935 г.):
Каждой симметрии физической системы соответствует закон сохранения. Однородности пространства и времени соответствуют законы сохранения импульса и энергии, а изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.
Законы сохранения выполняются в изолированной (или замкнутой) системе - на тела которой не действуют внешние силы или они скомпенсированы.
Слайд 29Из однородности пространства следует возможность параллельного переноса системы тел в
пространстве, т.е. возможность произвольного выбора начала координат.
Закон сохранения импульса: импульс
изолированной системы тел сохраняется
1. Закон сохранения импульса
Симметрия обладает признаком всеобщности, поэтому связанные с ней законы сохранения фундаментальны.
Слайд 302. Закон сохранения энергии
Из однородности времени следует возможность произвольного выбора
начала отсчета времени.
Закон сохранения энергии: полная энергия изолированной системы тел
сохраняется.
Энергия (механическая, тепловая, электрическая…) – общая мера различных форм движения.
Может переходить из одного вида в другой.
Слайд 313. Закон сохранения момента импульса
Момент импульса
Модуль момента импульса
Слайд 32Из изотропности пространства следует возможность поворота системы координат на произвольный
угол, т.е. возможность произвольного выбора направления осей координат системы.
Закон сохранения
момента импульса: момент импульса изолированной системы тел сохраняется
Три фундаментальных закона сохранения в природе не нарушаются!
