bilet1 (Билеты по Курсу физики для гуманитариев СПБГУАП), страница 3

которыми произошел переход. If энергию одного состояния обозначить через En, а другого через Em, то излучается квант с частотой Wnm, где Wnm удовлетворяет условию: 2ПhWnm =En-Em.(w-омега,П - пи). Введенные постулаты позволили Н.Бору получить дискретный спектр излучения атома и для водорода вывести формулу 19.1. Слабой стороной Т. Н.Бора была ее внутренняя противоречивость. Она не была ни последовательно класич., ни последовательно квантовой Т.. В силу этого, она не позволяла объяснять спектры > сложных, чем водород атомов. Она явл. только переходным шагом на пути к созданию последовательной Т., объясняющей поведение микросистем. Т. Бора была крупным шагом в развитии атомной и всей квантовой физики. В первую очередь она показала неприменимость представлений класич. физики к микросистемам, в том числе к атому и необходимость введения квантованности параметров микросистемы. Ограничения Т. Бора показали неприемлимость классического подхода к описанию микросистем. Требовалось выдвинуть новую, глобальную идею, на основе кот. можно было бы получить целостную, непротиворечивую Т. микромира. Такая идея была выдвинута только через 11 лет после создания Т. Бора. В 1924 году франц. ученый Луи де Бройль выдвинул гипотезу о двойственности природы микромира. Он предположил, что микрочастицы обладают одновремено свойствами частиц и волн. Это полож., неприемлемое с тчки зрения класич. физики, оказалось универсальным при описании не только микро, но и макромира. Л.д.Бройль предположил что все системы, в том числе и микрочастицы, обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Согласно предположению, любому телу, с масой m, движущемуся со скор-тью v , соотв. волна: lambda=h/mv (19.4) Формулу 19.4 легко получить применительно к квантам света. Энергия кванта, кот можно приписать массу m, опр-ся с 1ой стороны как Е=mc2 , с другой стороны она =а E=hv-hc/lambda. Приравнивая правые части этих формул и учитывая, что для фотона скорость распространения v =а скор. света с, получаем формулу 19.4. Движение тела в прост-ве и времени происходит также, как распростран волны с длиной lambda. Вопрос о корпускулярно-волновом дуализме был предметом дискуссий в течении нескольких десятков лет. Первнач. волны Л.де Бройля предполагались как наглядно - реальные волновые процесы типа электромагнитных волн. Позднее волны Л.де Бройля трактовались как некоторые вероятностные волны, описывающие движение частиц. В настоящее время можно предложить следующую трактовку корпускулярно-волнового дуализма. При распространении частицы в прост-ве ее движение описывается волной. При взаимодействии частицы с другими системами она проявляется как корпускула - частица. Проще всего это проследить на примере фотонов. Электромагнитные волны распространяются в прост-ве по законам распространения волн. Когда электромагнитные волны взаимодействуют с телами (примером может служит фотоэффект), то сразу же проявляются чисто корпускулярные св-ва. Электромагнитные волны поглощаются как частицы с опред. энергией.

(32) ОТВЕТ ОТСУТСТВУЕТ! (Волновая ф-я; ур-е Шредингера).

(33) ОТВЕТ ОТСУТСТВУЕТ! (Соотношение неопределенностей Гейзенберга).

Внимание! В след-м разделе некоторые вопросы перекрываются. Для гарантированно-хорошего ответа на экзамене след. ознакомится с всеми 3 вопрсами (? 34, ? 35, ? 36).

(34) В настоящее время конц-я самоорганизации получает все большее распростран не только в естествознании, но и в соц-но гуманитарных разделах наук. Большинство наук изучает процесы эволюции систем и они вынуждены анализировать механизмы их самоорганизации. Мы под самоорганизацией будем подразумевать явл-я, процесы , при кот. системы (механические, химические, биологические и т.д.) переходят на все > сложные уровни, характеризуемые своими законами, кот. не сводятся только к законам предыдущего у-ня. Такие примеры мы расматривали в предыдущих разделах. Концепция самоорганизации в настоящее время становится парадигмой. Обычно под парадигмой в науке подразумевают фундаментальную Т., кот. применяется для объяснения широкого круга явлений, относящихся к соответствующей облти ислед.. Примерами таких теорий могут служить классическая механика Ньютона, эволюционное учение Дарвина или квантовая физика. Сейчас знач. понятия парадигмы еще больше расширилось, поскольку оно применяется не только к отдельным наукам, но и к междисциплинарным направл-ям ислед..

(35) Принцип Обратной Связи. Типичным примером таких междисциплинарных парадигм явл. возникшая полвека назад кибернетика и появившееся четверть в. спустя синергетика. Под синергетикой в настоящее время подразумевают область научных ислед., целью кот. явл. выявление общих законмрностей в процессах образования , устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных сист. различной природы (физических, химических биологических , экологических, социальных).

(36) Синергетика и Кибернетика. Определим, что лежит в основе кибернетики и синергетики. Кибернетика в основном занималась анализом динамического равновесия в самоорганизующихся сист.. Она опиралась на принцип отрицательной обратной связи , сглсно кот всякое отклонение системы корректируется управляющем устройством после получения сигнала информации об этом. Мы с вами сталкивались с таким примером, когда расматривали знаки в уравнениях Максвелла, связывающих магнитные и электрические поля. Отрицательный знак в законе Фарадея и означал, что воздействие корректируется в сторону его уменьшения. Другой пример. Сам отец кибернетики Н.Винер рассказывал, как возникла эта наука. Она возникла, когда стали изобретать самонаводящиеся зенитные системы. В этих сист. встретились с такой ситуацией, когда неправильно поданный корректирующий сигнал приводил к выходу из строя всей системы наведения. В общем речь шла о том, что в сист-е, развивающейся по заданным законам, связь должна быть отрицательной. Пояснение вышесказанному дается рис. 5.1. В синергетике исследуются механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процесе самоорганизации, а не сохранения или поддержания старых форм. Она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменение, возникшее в сист-е, не подавляется или корректируется, а наоборот, накапливаются и приводят к разрушению старой и возникновению новой системы. С тчки зрения приведенного Н.Винером примера процес саморазрушения зенитного комплекса мог быть описан с синергетических позиций. В то время этот процес считался сугубо отрицательным и его старались подавить. Для хар-еристики самоорганизующихся процесов применяют различн. термины, начиная от синергетических и кончая неравновесными и даже автопоэтическими или самообновляющимися. Однако, все они выражают 1 и туже идею. В дальнейшем у нас речь пойдет о самоорганизующихся сист., кот. явл. открытыми системами , находящимися вдали от тчки термодинамического равновесия. Идеи эволюции систем (космогонические, биологические, физические) получили широкое признание в науке. Однако,вплоть до настоящего времени, они формулировались интуитивными понятиями. Терминологический и научный подход развивается только в настоящее время. В раних теориях эволюций основное внимание обращалось на воздействие окружающей среды на систему. Мы > подробно это рассмотрим в Т. эволюции Дарвина. В дарвинской Т. Т. происхождения новых видов растений и животных путем ественого отбора главный акцент делался на среду, кот. выступала в кач. определяющего фактора. Разумеется, внешние усл-я среды оказывают огромное влияние на эволюцию, но это влияние не в меньшей степенизависит также и от самой системы, ее состояния и внут. предрасположенности. Приведем 2 примера. У нас есть водяной пар, при его охлаждении он переходит в новую структуру в виде кристаллов.Систем > организованных, чем хаотически двигающиеся молекулы воды. Но, этот процес как выясняется, может происходить только тгда, когда в самой среде есть дополнительные центры кристаллообразования. Т. е. необходимым усл. явл. сама среда и ее взаимосвязи. Другой пример. Лазеры. В лазерах хаотическое спонтанное излучение превращается в строго организованное индуцированное, следствием чего и появл. монохроматическое излучения. В этих примерах мы не использовали точные хар-еристики упорядоченности или самоорганизованности структуры. В след-м разделе мы введем меру упорядоченности структуры энтропию и свяжем с ней протекание процесов. С тчки зрения парадигмы самоорганизации стало ясным, что усл. развития не только живых, но и динамических систем вообще явл. взаимдействие системы и окружающей среды. Только в результате такого взаимдейст. происходит обмен веществом, энергией и информацией между системой и ее окружением. Благодаря этому возникает и поддерживается неравновесность, а это в свою очередь приводит к спонтанному возникновению новых структур. Таких как кристаллы или лазерное излучение.

(34) Самоорганизация как основа эволюции. Тким обрзом , самоорганизация возникает как источник эволюции систем, так как она служит началом процеса возникновения качественно новых и > сложных структур в развитии системы. Чтобы понять, почему самоорганизация выступает в основе эволюции, необходимо сказать несколько слов о флуктуациях и хаосе. Рассмотрим такую систему, как газ. Молекулы газа двигаются случайно, хаотично. Однако, в опытах с броуновским движением мы видим, что случайные, хаотичные движения молекул (микросистем) могут привести и к коллективному движению макроскопических частиц. Флуктуации представл. собой случайные отклонения системы на микро уровне. Но результат их действия может сказаться и на макро уровне, причем непредсказуемым обрзом. В критич. точке эволюции ,как правило, открывается несколько возможностей. Какой путь при этом выберет сист., в значит. степени зависит от случайных факторов. И в целом поведение системы нельзя предсказать с полной достоверностью. Мы с вами расматривали этот вопр в разделе Физика возможного. Мы даже указали границы случайности в поведении системы. В микромире выбор поведения системы определен только с точностью до соотношения неопределенностей Гейзенберга. Фактически мы показали, что в самой сист-е заложен хаос, неопределенность. И эта неопределенность в критических точках поведения системы может привести к развитию новой структуры с не предсказанными свойствами.

(37) ЕСТЕСТВЕННО - НАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ Ученые и специалисты насчитывают > 170 определений понятия культура. Это свидетельствует о универсальности даного явл-я человского общства. Понятием культура обозначают и обычные явл-я, и сорта растений и умственные кач-ва чела, и образ жизни, и систему положительных ценностей и так далее. В таком контексте все созданное челом есть культура. Мы используем одно из определений культуры, кот. связано с ее инструментальной трактовкой. Культура - это сист. ср-в человской деят-ти, благодаря кот. реализуются действия индивида, групп, человечества в их взаимодействии с природой и между собой. Эти ср-ва создаются людьми , постоянно меняются и совершенствуются. Принято выделять 3 типа культуры: материальную, социальную и духовную. Материальная культура -совокупность ср-в бытия чела и общства. Она вкл разнообразные факторы: орудия труда, технику, благсост-е чела и общства. Социальная культура - это сист. правил поведения людей в различн. видах общения. Она вкл этикет, профессиональную, правовую, религиозную и т. д. разновидности деят-ти чела. Более подробно содержательная часть 1ой и 2й культур изучается в других дисциплинах. Духовная культура - это составная часть культурных достижений человечества. Осн. виды духовной культуры - мораль, право, мировоззрение, идеология, иск-во, наука и т.д. Кажд из этих видов духовной культуры сост. из относит. самостоятельных частей. Эти части взаимосвязаны и относятся к духовной культуре человечества. Под наукой в настоящее время понимают ту сферу человской деят-ти, ф-я кот. - выработка и теоретич систематизация объективн. знаний о действит-ти. Сист. наук условно делится на ественые, общественные и технические науки. В науке принято выделять систему знаний о природе - естествознание, кот. явл. предметом естественнонаучной культуры и систему знаний о позитивно значимых ценностях бытия индивида, групп , гос-ва, человечества - гуманитарные науки или гуманитарную культуру. До того, как наука оформилась в самостоятельную часть культуры человечества, знания о природе и ценностях общ-веной жизни входили в иные состояния духовной культуры : практ. опыт, мудрость, народная медицина, натурфилософия и т.д. Взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной культур закл. в след-м: * они имеют единую основу, выраженную в потребностях и интересах чела и человечества, в создании оптимальных усл-ий для самосохранения и самосовершенствования; * осуществляют взаимообмен достигнутыми результатами; * взаимно координируют в процесе развития человечества; * явл. самостоятельными ветвями единой системы знаний науки и духовной культуры в целом. Мы являемся свидетелями того, как социологи, юристы, экономисты, менеджеры и друг. специалисты - гуманитарии начинают применять в своей работе системный подход, идеи и методы кибернетики и Т. информации, знание фундаментальных законов естествознания и в частности физики. Поясним вышесказанное примерами из практики. Юрист разбирает дело о столкновении судов. Конечно, ему нужно знать законы, приняты в мировой практике судовождения. Но, с другой стороны, if он не знает, что такое маса, радиус поворота, скорость, ускорение и т. д. , он не сможет реально применить свои профессиональные знания. Социолог изучает общ-ное мнение путем опроса. Но как он сможет оценить степень достоверности результатов, if не имеет представление о Т. вероятности и Т. погрешностей. Без знания этих разделов ественых наук, результаты его предсказаний не будут представлять практической цености. Менеджер рекламирует изделие какого - то предприятия. Хорошо известно, что на выставках или просмотрах первые вопросы всегда касаются техн. сторон изделия. Конечно, полностью ответить на такие вопросы может только специалист, имеющий хорошую фундаментальную естественнонаучную подготовку. Однако разбираться в этих вопросах должен и менеджер. Существует и другая сторона рассматриваемого вопроса. Наука часто обвиняется в тех грехах, в кот. повинна не столько она сама, сколько та сист. институтов, в рамках кот. она функционирует и развивается. В настоящее время очевидно, что развитие науки может приводить к отрицательным последствиям влияющем на все челоство в целом. Актуальным становится вопр о соц. ответственности всех людей, а не только ученых за возможность юзания из открытий и достижений. В настоящее время сформировалась направл., называемое этикой науки, дисциплине, изучающей нравственные основы научн. деят-ти. В кач. примера можно привести пример из истор. 2й мировой войны. Р.Оппенгеймера называют отцом атомной бомбы. Он являлся координатором и руководителем проекта создания атомной бомбы. Она была создана и испытана сначала в Неваде, а потом и в Хиросиме и Нагасаке. Позднее Оппенгеймер, осознавая тяжесть ответственности, ушел из проекта и стал заниматься деятельностью, направленной на предотвращение юзания атомных бомб. Вышесказанное утверждает нас в мысли, что представляется весьма важным познакомится с осн. концепциями естествознания. Это необходимо для того, чтобы: во перв., сознательно применять их в своей деят-ти, во вторых, чтобы получить > ясное и точное представление о современ. научн. картине мира, кот. дает естествознание. Необходимость применения естствено научных методов и законов в практической деят-ти гуманитарных специальностей и привело к постановке того курса, кот. мы будем изучать: Физика для гуманитариев.

1. Связь между разделами естествознания. Слово естествознание представляет из себя сочетание 2х слов: естество (природа) и знание. В настоящее время под естествознанием подразумевается в основном точное знание о том, что в природе, во Вселенной действительно есть или по крайней мере возможно. Первнач. к физике Аристотель относил проблемы устр-ва, происхождения, организации всего, что есть во Вселенной, даже жизни. Само слово физика, греческое по происхождению, близко к русскому слову природа. Тким обрзом, первоначально естествознание называлось физикой. В своем развитии наука прошла 4 стадии развития. На 1ой стадии формулировались общ. представл. о природе, окружающем мире как о чем-то целом. В этой стадии произошло развитие натурфилософии (философии природы) ставшей вместилищем идей и догадок, кот. к 13-15 векам стали зачатками ественых наук. В 15-17 веках последовала аналитическая стадия - мысленное расчленение и выделение частностей, превратившая физику, астрономию, химию, биологию действительно в науки. Позднее, ближе к нашему времени, наступила синтетическая стадия изучения природы, характеризуемая воссозданием целостной картины мира на основе ранее познанных частностей. Сегодня пришло время обосновать не только принципиальную целостность всего естествознания, но пояснить, почему имено физика, химия и биология стали осн. и самостоятельными разделами науки о природе. Т.е. в настоящее время осущ-ется целостная интегрально - дифференциальная стадия развития естествознания, как единой науки о природе. Все описанные стадии изучения природы по сущ-ву представл. звенья 1ой цепи. Кажд из разделов естествознания прощел через эти стадии. Рассмотрев в следующей части коротко ист-ю развития физики мы видим, что она тоже прошла все описанные стадии. Отличие имеется лишь в том, что описание этапов развития физики мы будем давать с тчки зрения развития методов подхода к изучаемым явлениям. В физике сейчас также наступает интеграционная стадия, характеризуемая тем, что проводятся попытки создать единые Т., объединяющие различн. разделы. Примером тому может служить попытка создать единую Т. поля. Рассмотрим главные разделы естествознания и связь между ними. Мы уже говорили о движении материи. В порядке возрастания сложности мы приводили следующие формы движения: механическую, физическую, химическую, биологическую, общественную. Все формы движения связаны между собой. Высшие содержат в себе низшие, составными части, но ни в коем случае не сводятся только к ним. Например, нельзя ядерные силы свести к механическим. Различные виды движений, существующих в природе изучают различн. разделы естествознания: ФИЗИКА, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ, ПСИХОЛОГИЯ и друг. разделы. В каждом из разделов естествознания имеются свои законы, кот. не могут быть сведены к законам других разделов, однако, Т., описывающие сложные структуры, опираются на Т. и законы для простых структур. При этом, как правило, по мере усложнения структур и разделов естествознания их законы становятся менее точными, формулировки приближаются к кач-веным. Чем ниже уровень раздела естествознания, тем сложнее и точнее математические формулировки его законов. Наиболее сложны для понимания законы физики - фундаменте всех ественых наук. В этом разделе мы попытаемся показать связь физики с другими науками, очерти м круг фундаментальных задач, возникающих в пограничных областях и на стыке наук. Однако, мы коснемся связей физики с техникой, физики с пром-тью, физики с общ-веной жизнью и физики с искусством. Связь с последнем прослеживается на многих ист-ких примерах, когда выдающиеся скульпторы, архитекторы и живописцы прошлого были одновремено и крупными учеными. Химия испытывает на себе влияние физики, пожалуй сильнее, чем любая другая наука. На заре своего развития она играла важную роль в становлении физики. Эти науки взаимодействовали очень сильно, они были практически неразделимы. Т. атомного строения в-ва получила основательное подтверждение имено в химических опытах. Под Т. неорганической химии подвел черту Д.И.Менделеев (1834-1907), создав свою периодическую систему химических эл-тов. Эта сист. выявила немало удивительных связей между различными элементами. Она предсказала сущ-ние многих тгда еще неизвестных химических эл-тов. Однако, объяснение системы Менделеева возможно только с опорой на Т. строения атома, т.е. на физическую Т.. В настоящее время в неорганической химии остались 2 раздела: физическая химия и квантовая химия. Сами названия этих разделов говорят о тесной связи с физикой. Другая ветвь химии - органическая химия, химия веществ, связаных с жизненными процессами. Одно время предполагали, что органические в-ва столь сложны, что их нельзя синтезировать. Однако, развитие физики и неорганической химии изменило ситуацию. В настоящее время научились синтезировать сложные органические соединения, необходимые в жизненых процессах. Главной задачей органической химии явл. анализ и синтез веществ, образующихся в биологических сист., живых организмах. Отсюда вытекает тесная связь химии и физики с другим разделом естествознания, с биологией. Изучение живых организмов позволяет увидеть множество чисто физических явлений: циркуляцию и гидродинамику протекания крови, давление в сосудах и т.д. Биология - очень широкое поле деят-ти для приложения физических и химических теорий. Например, как осущ-ется зрение, что происходит в глазе. Как квант света взаимодействует с сетчаткой. Однако, эти вопросы не осн. в биологии, не они лежат в сущности всего живого. Фундаментальные процесы, изучаемые в биологии лежат глубже, в понимании функционирования клеток, их биохимических циклов. В конечном итоге, в понимании того, что есть жизнь. Понятие жизни не удается свести только к хим или физ. процесам. Психология изучает отражение действит-ти в процессах деят-ти чела и животных. Эта наука лежит на грани ественых и общ-веных наук. Казалось бы, какая связь может быть у нее с физикой. Давайте рассмотрим пару примеров. Одной из ветвью психологии явл. физиология ощущений. Она расм. взаимосвязь между поведением чела и его ощущениями. Почему красный цвет вызывает тревожные ощущения, а зеленый наоборот. Недаром запрещающий цвет светофора - красный, а разрешающий - зеленый. Ответ может дать физика. Днем max излучения солнца приходится на зеленый цвет. День - самое безопасное время суток, и в процесе эволюции у живых организмов выработалась положительная реакция на зеленый цвет. В сумерках max излучения солнца сдвинут в красную область. Сумерки - самое опасное время суток, когда хищные животные выходят на охоту. Есcно, что в процесе эволюции выработалось отрицательная реакция на этот цвет. Другой пример из облти криминалистики, кот. условно также можно отнести к ветви психологии, поскольку она расм. поведения людей в сложных ситуациях, приводящих к криминальным случаям. Когда доктор Ватсон спросил, знает ли Шерлок Холмс о Т. Коперника и о строении солн. системы, Холмс ответил, что наверно знал, но постарался об этом забыть. Тем не менее, доктором Ватсоном было установлено, что Холмс обладает глубокими знаниями в облти химии и ряда разделов физики. Действительно, сейчас ни 1 криминалист не может обойтись без такого раздела физики, как механика, точнее ее прикладного раздела - баллистики, а также ряда других. В заключении этого раздела упомянем еще 1 момент, выявляющий связь физики с другими разделами естествознания. Все приборы, используемые в опытах и экспериментах созданы специалистами с техническим (т.е. физ.) образованием. Принцип действия этих приборов основан на физических законах. В конечном итоге, тестер для измерения напряжения или тока , томограф, получающий пространственную картину внутренних органов, микроанализатор, определяющий уровень загрязненности окружающей среды или потребляемой пищи, требуют от работающих определенных знаний. С 1ой стороны - это знание основных принципов работы прибора, с другой стороны - умение оценивать степень точности параметров, кот. измеряет данный прибор.

10. Детерминизм класич. механики. Под детерминизмом понимается философское учение об объективной закономерности, взаимосвязи и причинной обусловленности всех явлений мат. и духовного мира. Центральным ядром детерминизма явл. полож. о причинности. Идея детерминизма сост. в том, что все явл-я и события в мире не произвольны, а подчиняются объективным закономерностям, независимо от наших знаний о природе явлений. Всякое следствие имеет свою причину. детерминизм Лапласа(1749 - 1827). Согласно классическому механистическому детерминизму сущ-вует строго однозначная связь между физическими величинами, хар-еризующ. сост. системы в какой-то момент времени (координаты и импульсы) и значениями этих величин в люб. последующий или предыдущий моменты времени. Принцип механического детерминизма. If известны начальные координаты и скор. тел системы, а также законы взаимдейст. тел, то можно определить сост. системы в люб. последующий момент времени. Отметим, что для успешного практического решения подобных задач законы взаимдейст. тел нужно знать очень точно, либо нужно смириться с тем, что расчет будет адекватно описывать поведение системы лишь в ограниченном временном интервале. Связано это с тем, что неточности расчета имеют свойство накапливаться и искажать получающуюся картину, - чем дальше, тем больше. Кроме того нужно иметь ввиду, что для решения задачи о движении большого кол-ва взаимодействующих тел нужно задать очень больш кол-во начальных данных, законов взаимдейст. и решать очень громоздкую систему дифференциальных уравнений. С позиций сегодняшних знаний о природе можно утверждать, что механистический детерминизм Лапласа не работает в микромере, где процесы взаимдейст. частиц по своей природе явл. вероятностными. При столкновении 2х атомов 1 из них может возбудиться (перейти в возбужденное сост.), а может и остаться в основном, невозбужденном сост.. В последнем случае атомы будут сталкиваться как идеально упругие шары, в первом случае как неупругие шары. Результаты столкновения в этих случаях будут сильно различаться, а решить, как будет происходить взаимдействие, до того как оно произойдет, в принципе невозможно. В микромире могут одновремено протекать процесы, кот. абсолютно несовместимы в макромире. Когда описывается квантовая микросистема, предсказывается ее поведение в рамках вероятностного описания, но не дается однозначного ответа, как конкретно она будет себя вести. При этом всегда остаются в силе причинно-следственные связи.