ЭБЗ Классическая физика (часть 1) - механика, термодинамика и молекулярная физика (1175272), страница 57
Текст из файла (страница 57)
Правильное понимание этогопринципа важно еще и потому, что студенты легко поддаются гипнозу математическихформул и склонны относиться к экспериментальным данным, как к знаниям второгосорта.Следует обратить внимание студентов на то, что получение отрицательного результата в эксперименте, поставленном для проверки справедливости выдвинутой гипотезы, – полезный шаг в процессе познания изучаемых явлений. Например, отрицательный результат знаменитого опыта Майкельсона входит в экспериментальный фундамент теории относительности как существенный элемент.Неожиданные результаты приносил опыт во все периоды развития физики. На лекциях следует приводить примеры из самых различных отделов курса физики.
Укажемна некоторые из них: опыты Галилея, доказавшие неверность убеждений последователей Аристотеля и приведшие к открытию принципа инерции; опыты Герца и Столетова, приведшие к открытию фотоэффекта и его законов; опыты Резерфорда приведшие коткрытию атомного ядра, и др.Здесь же имеет смысл остановиться на условиях и границах применимости различных законов и теорий. Это крайне важный методологический вопрос, связанный с такими проблемами, как неисчерпаемость свойств материи, с одной стороны, и принципсоответствия с другой. Обычно подчеркивают критерий границ применимости даннойтеории, что, безусловно, надо делать.
Однако не следует забывать, что здесь далеко невсегда дело обстоит так просто. В процессе развитая науки может происходить существенное перемещение границ применимости теории, и критерии применимости теряютиногда свою эффективность. Так, развитие за последние годы макроскопической квантовой физики затруднило четкую формулировку критериев, определяющих границыприменимости классических понятий. В явлениях сверхпроводимости и сверхтекучестимы встречаемся с квантованием макроскопических величин (магнитного потока, вращательного момента, механических вихрей в жидком гелии и т.
д.). В этих явленияхпроявляется когерентность волн де Бройля на макроскопических расстояниях. Поэтомустарое разделение областей применимости классических и квантовых представлений(макро- и микро-) не соответствует современному состоянию вопроса. С другой стороны, создание лазеров позволяет наблюдать фотоэффект при столь большой плотностиэнергии в падающем световом потоке, что основную роль начинают играть многофотонные процессы. При этом вырывание электрона происходит за счет одновременногопоглощения им нескольких фотонов.
Это приводит к исчезновению красной границыфотоэффекта и к появлению зависимости кинетической энергии фотоэлектрона от интенсивности падающего света. В результате фотоэффект приобретает классическиечерты, что соответствует расширению области применимости классической оптики.Следует обратить внимание студентов на то, что границы применимости того илииного физического соотношения определяются упрощающими предположениями, сделанными в начале вывода этих соотношений. Примером может служить введение понятий абсолютно твердого тела, идеального газа, термодинамического равновесия и т.
д.Особо важен вопрос об «огрублении» в квантовой механике, где огрубление преждевсего состоит в описании свойств явно неклассических объектов с помощью классических, понятий, таких как частица и волна. Эти понятия правильно отражают некоторыекорпускулярные и волновые свойства квантовых объектов, но, конечно, следует подчеркивать, что речь идет отнюдь не о классических частицах и волнах.
В частности,учет роли «огрубления» объясняет единство противоположных свойств квантовых объектов (корпускулярно-волновой дуализм).Не вдаваясь в развернутый анализ соотношения между относительной и абсолютной истинами (это будет в курсе философии), надо все же отметить, что, несмотря наупрощения и «огрубления», физике удается все глубже и глубже проникать в истинныесвойства материи, о чем свидетельствует практика.В заключение вводной лекции необходимо подчеркнуть студентам, что физика какединый организм вся целиком живет и развивается и ее нельзя разделить на старую,отжившую часть и новую, современную.
Ведь ценность общего курса физики состоитименно в демонстрации единства подхода к самым различным классам явлений. Крометого, сейчас практически невозможно предвидеть, с чем столкнутся на практике выпускники втуза, с практическим использованием какого раздела физики они будут иметьдело. Сравнительно недавно знание основ квантовой физики считалось роскошью длярадиоинженеров. Появление квантовой электроники коренным образом изменило ситуацию.
Квантовая физика стала также необходимой инженерам, имеющим дело с ме-ханическими и другими свойствами твердых тел. Для большинства инженерных специальностей изучение дифракции представлялось излишним. В связи с появлением голографических методов технологии знание основ теории дифракции становится весьманужным для инженеров-технологов. Начинает входить в большую технику чисто квантовое явление – сверхпроводимость. Можно привести множество примеров. Таким образом, гармоничность общего курса физики диктуется весьма важными причинами,прежде всего, необходимостью формирования у будущих инженеров цельного научного мировоззрения.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИИзучение физики в общем курсе начинается с изучения механического движения.Механическое движение есть одна из форм движения материи.КинематикаВ кинематике изучаются пространственно-временные закономерности разных видов механического движения вне зависимости от причин, обусловливающих это движение.
Предварительно уместно сказать несколько слов о таких категориях, как пространство и время и о том, как они отражаются в нашем сознании.Материя и формы ее бытия – время, пространство, движение – всегда прерывны инепрерывны одновременно. Ясное понимание этого имеет огромное методологическоезначение. Непрерывность – это сохранение данного качества в процессе определенногоколичественного изменения. Вещь и явление постольку непрерывно и устойчиво существуют, поскольку сохраняют свое качество.
Прерывность – это изменение качественного состояния в существований вещи, процессе, явлении.Академик В. А. Фок писал: «К научному, физическому понятию пространства ивремени можно подойти, выделив путем абстракции в соотношениях между событиямиматериального мира пространственно-временную сторону» [4].Первыми научными понятиями пространства и времени были представления классической физики. В классической ньютоновской механике пространство и время рассматриваются как объективные формы существования материи, но в отрыве друг отдруга и от движения материальных тел. Геометрические свойства пространства описываются геометрией Евклида.В диалектическом понимании и классические представления о пространстве и времени и представления теории относительности и квантовой механики суть относительные истины, включающие в себя элементы абсолютной истины.Динамика.
Законы НьютонаДинамика изучает движение тел в связи с теми причинами (взаимодействия междутелами), которые обусловливают тот или иной характер движения. Здесь же надо подчеркнуть идеализированный характер движения по инерции, когда можно пренебречьвзаимодействием тел. Эта идеализация позволяет ввести понятие об инерциальных системах отсчёта (первый закон Ньютона). Вместе с тем постановка реального эксперимента по наблюдению чисто инерциального движения невозможна.
Галилей прибегнулк экстраполяции результатов реальных экспериментов с наклонной плоскостью (одноиз первых применений метода мысленного эксперимента).В динамике существенную роль играют понятия массы и силы. Разъясняя физическое содержание понятия массы как меры инертности тела в поступательном движении,следует также остановиться на том, что формирование этого понятия становится возможным на основании изучения свойств вещества и на основе философских соображений о неуничтожимости всего сущего, являющихся результатом обобщения всей суммы положительных знаний, подтвержденных практикой.Разъясняя понятие силы, имеет смысл сразу разделить силы на две качественноразличающиеся группы: дальнодействующие (гравитационные силы, силы взаимодействия наэлектризованных и намагниченных тел) и близкодействующие – возникающиепри непосредственном контакте взаимодействующих тел (силы натяжения, давления,трения и т.
п.). В механике из дальнодействующих сил обычно рассматриваются толькосилы тяготения, из которых в большинстве задач имеет смысл учитывать лишь силупритяжения тела к Земле.Физикам XIX века казалось, что понять природу сил взаимодействия – значит свести их к механическим силам, подобным силам упругости. Для этого был придуманэфир – среда, заполняющая мировое пространство. Современная физика отрицает такую постановку вопроса. По современным представлениям силы упругости, силы трения, силы химического сродства, молекулярные силы, мускульные силы и другие, заисключением сил всемирного тяготения, являются проявлением электромагнитных сил,и все без исключения взаимодействия осуществляются через поля.Согласно основным представлениям механики Ньютона, силы, действующие на какое-либо тело в какой-либо момент времени, зависят от положений и скоростей всехвзаимодействующих тел в тот же момент времени.
Когда взаимодействующие тела несоприкасаются, такое представление предполагает либо непосредственное действие нарасстоянии, либо передачу взаимодействий с бесконечно большой скоростью. Ньютоновская механика принципиально допускала взаимодействия, передающиеся с бесконечно большими скоростями. Логически против такого допущения возразить ничегонельзя. Вопрос должен быть решен опытом. Опытные факты привели к заключению,что мгновенных взаимодействий не существует. Скорость распространения взаимодействия ограничена (она не превосходит скорости света в вакууме).
Поэтому описаниевзаимодействий, даваемое механикой Ньютона, практически верно лишь в тех случаях,когда скорости всех взаимодействующих тел малы по сравнению со скоростью света.В частности, в этом смысле следует обратить внимание на третий закон Ньютона.Из-за конечной скорости распространения взаимодействий этот закон не может бытьвсегда верным для взаимодействий, осуществляющихся на расстоянии.Пусть две взаимодействующие материальные точки А и В длительно находятся впокое на некотором расстоянии l. Допустим, что в этом положении силы взаимодействия этих точек подчиняются третьему закону Ньютона. Если первая точка А настолькобыстро перейдет в новое положение А', что за время перехода изменение взаимодействия не успеет дойти до точки В, то сила, действующая на точку В, не изменится и будетпо-прежнему направлена вдоль .прямой АВ, в то время как первая материальная точканаходится уже не в точке A, а в точке А'.
Получилось нарушение третьего закона Ньютона, а с ним и механического закона сохранения импульса. Суммарный импульс тел Аи В, вообще говоря, не может сохраняться из-за конечной скорости распространениявзаимодействий. Современная физика разрешает эту парадоксальную ситуацию следующим образом. Все взаимодействия осуществляются полями – гравитационными,электромагнитными и др. Тело А возбуждает в окружающем пространстве силовое поле, которое в месте нахождения тела В проявляется в виде действующих на него сил. Всвою очередь тело В возбуждает аналогичное силовое поле, действующее на тело А.Никаких других силовых взаимодействий, помимо полевых, современная физика непризнает.
Контактные взаимодействия осуществляются молекулярными полями, быстро убывающими с расстоянием. Так как радиус действия таких взаимодействий не пре-вышает примерно 10-7 см, они воспринимаются макроскопически как взаимодействиячерез прикосновения.Согласно воззрениям позапрошлого века, взаимодействия на расстоянии осуществлялись через посредство гипотетической среды – мирового эфира, которому приписывались свойства обычного вещества. Современная физика рассматривает поля болееосторожно. Поле, наряду с веществом, является одним из видов материи. Поле – объективная реальность, посредством которой передаются взаимодействия. Поле может существовать и самостоятельно, независимо от возбудивших его тел.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
