Концепции физики макромира

«Концепции  современного естествознания»

 

• Лекция по теме:

 

Концепции физики макромира 

 

доцент, канд.эконом.наук

Багрикова Светлана Васильевна,

кафедра товароведения и таможенной экспертизы,

Санкт-Петербургский филиал РТА

План лекции:

 

• Физика – фундаментальная отрасль естествознания.
• Этапы развития физики.
• Механистическая картина мира. Законы динамики.
• Электромагнитная картина мира. Физика полей
• Современная научная картина мира. Теория относительности

Фи́зика

 

 

 

• (от др.-греч. φύσις «природа») — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира.

• Физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Вследствие такой общности физика и ее законы лежат в основе всего естествознания.

 

• Физика – главная из естественных наук, поскольку она открывает истины, справедливые для всей Вселенной, о соотношении нескольких основных переменных.

 

• Одна из задач физики– выявление самого простого и самого общего в природе. Самое простое –первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля и т.п. Наиболее общие свойства материи - движение, пространство, время, масса, энергия и др. При изучении сложное сводится к простому, конкретное – к общему.
• Устанавливаются универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и в околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из существенных признаков физики как фундаментальной науки. 

 

• Физика занимает особое место в естественных науках

Этапы развития физики

 

Доклассическая  физика

 

Классическая  физика

 

Современная физика

Древний и средневековый –

это самый  длительный этап.

Он  охватывает период от времен Аристотеля

до  XVII в., от античности - до становления экспериментального естествознания.

Учения  о природе носили натурфилософский характер: наблюдаемые природные  явления объяснялись на основе умозрительных  философских принципов.

 

Античный  мир породил две фигуры, внесшие  важный вклад в формирование основ  современной физики: Демокрит из Абдеры (ок. 460-370 г. до н.э.) Демокрит первым из великих математиков оказал глубокое влияние на развитие физики. Более всего Демокрит известен как создатель атомистическое теории.

 Второй  великий предтеча современной  физики, Архимед, был величайшим  математиков древности. В центре  его интересов была статика,  которая занимается изучением  сил в состоянии равновесия.

 

Демокрит

(ок. 460–370 до н.э.)

 

Архимед

(ок. 287–212 до н.э.)

Этап доклассической физики открывает геоцентрическая система мировых сфер Аристотеля. Переход от эгоцентризма – отношение к миру, характеризующегося сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму – первый и самый трудный шаг на пути зарождения естествознания.

 

Начало второго  этапа связывают с одним из

основателей точного  естествознания – итальянским ученым Галилео Галилеем (1564-1642) и основоположником классической физики, математиком, астроном, физиком Исааком Ньютоном (1643-1727).

Механистическая программа описания природы, впервые  выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой  начинается научный этап изучения природы. Начало исследованиям положила физика.

Формирование  научных взглядов на строение материи  относится к 16 в., когда Галилеем была заложена основа первой в истории  науки физической картины мира – механической.

 

Классическая физика 

Классическая физика

 

В конце 16 в. в теоретической  астрономии возник кризис, распространившийся и на другие области естествознания. Его результатом стал полный переворот  во взглядах человека на самого себя и  на окружающий его мир.

 

В 1543 вышла в свет книга Коперника «Об обращениях небесных сфер» (De Revolutionibus), в которой было показано, что движение небесных тел легче понять и описать, если предположить, что в центре Солнечной системы находится Солнце, а Земля – лишь одна из планет, которые обращаются вокруг него.

Птолемеевская теория помещала неподвижную Землю в центр мироздания, а звезды и планеты, которые мыслились расположенными на прозрачных сферах, обращались вокруг Земли.

• Современная физика –

 

К началу ХХ в. появились экспериментальные  результаты, которые трудно было объяснить  в рамках классических представлений.

Предложен новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции.

Квантовый подход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858-1947) - один из основоположников квантовой теории.

Его трудами  и открывается третий этап развития физики – этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

Объясняются многие микропроцессы, происходящие в  пределах атома, ядра и элементарных частиц.

Возникли  новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и другие.

Современная физика

 

• содержит небольшое число фундаментальных физических теорий, охватывающих все разделы физики.
• Эти теории представляют собой квинтэссенцию знаний о характере физических процессов и явлений, приближённое, но наиболее полное отображение различных форм движения материи в природе.

ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ 

 

• Динамический закон – это закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний. Выражает непосредственную необходимость, случайные связи исключены.
• Статистический закон – это закон, управляющий поведением больших совокупностей и в отношении отдельного объекта позволяющий делать лишь вероятностные выводы о его поведении. Выражает диалектическую связь необходимости и случайности. Рассматривает случайность как форму проявления необходимости.

ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ

 

• Динамическая теория – это теория, представляющая совокупность динамических законов:   классическая механика, классическая теория излучения, релятивистская механика.
• Статистическая теория – это теория, представляющая совокупность статистических законов: квантовая механика, квантовая теория излучения квантовая электродинамика), релятивистская квантовая механика.

Механистическая картина мира.

Законы  динамики

Механистическая картина мира. Законы динамики.

Первая  фундаментальная естественно-научная теория в XVII в. – классическая механика

 

• Изучение природы началось с анализа простой формы движения материи, а именно – механического перемещения тел в пространстве.
• Формирование классической механики и основанной на ней механистической картины мира происходило по двум направлениям:

- обобщение  полученных ранее результатов  и прежде всего законов движения  свободно падающих тел, открытых  Галилеем, а также законов движения  планет, сформулированных Кеплером;

• создание методов для количественного анализа механического движения в целом.
• До начала ХХ века в науке господствовало механистическое мировоззрение. Физическая сущность в том, что все явления природы можно объяснить движениями частиц и тел.
• Лапласовский детерминизм

Исторический  вклад Галилея (1564-1643г.)  
в механику

 

• Разделение понятий: равномерное, неравномерное, равноускоренное движение;
• Формулировка понятия – ускорение – результат действия силы;
• Принцип инерции (1-й закон динамики);
• Понятие – инерциальная система;
• Принцип относительности движения – равноправие инерциальных систем;
• Закон независимости действия сил (принцип суперпозиции).

Т.о. заложен  фундамент динамики

Вклад Ньютона  в становление классической теоретической  физики

 

Классическая  механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания:

 

• Экспериментальное установление точных количественных закономерных связей между явлениями и выведение из них общих законов природы методом индукции.
• Объясняет множество физических явлений и процессов в земных и внеземных (космических) условиях.
• Создание новых математических методов – дифференциального и интегрального исчислений.
• Ньютон выдвигает совершенно новый принцип исследования природы.
• Ньютон обобщил в виде двух законов открытия Галилея, добавив к ним третий закон и закон всемирного тяготения – универсальный закон природы.
• Открытие спектрального состава белого света.
• Проблема происхождения упорядоченной Вселенной существует!
• Сложная организация мира не могла возникнуть из неупорядоченных механических движений! А как?

Концепция Ньютона явилась основой для  многих технических достижений в  течение длительного времени

 

На фундаменте классической механики Ньютона сформировались многие методы научных исследований в различных  областях естествознания

 

Законы Кеплера  и закон всемирного тяготения  Ньютона послужили основой для  открытия новых планет. Так в 1846 году немецким астрономом И.Галле был  обнаружен  Нептун, а в 1930 г. Плутон.

Законы движения Ньютона 

 

Первый закон Ньютона

 

Закон инерции впервые был установлен Галилеем для случая горизонтального движения, когда тело движется по горизонтальной плоскости, то его движение является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца.

Ньютон дал более общую формулировку закону инерции как первому закону движения: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние.

 

Недостатком данной формулировки закона является то, что в ней не содержалось  указания на необходимость отнесения  движения к инерциальной системе  координат. Когда бессодержательность абсолютного пространства как абсолютной системы отсчета была выявлена, закон инерции стал формулироваться иначе:

 

 

Относительно инерциальной системы координат свободное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения

Второй закон Ньютона

 

В формулировке второго закона Ньютон ввел понятия:

• Ускорение – векторная величина (Ньютон назвал его количеством движения и учитывал при формулировании правила параллелограмма скоростей), определяющая быстроту изменения скорости движения тела.
• Сила – векторная величина, понимаемая как мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате воздействия которой тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.
• Масса тела – физическая величина – одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства.

Второй  закон механики гласит: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение. Такова его современная формулировка.

Ньютон  сформулировал его иначе: изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует, и обратно пропорционально массе тела или математически: