ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.01.2020
Просмотров: 2107
Скачиваний: 5
На каждом этапе развития естествознания закономерно менялись представления о материи. Эти представления находят свое выражение в борьбе двух концепций о форме и свойствах материи: корпускулярной и континуальной.
В основе корпускулярной теории (концепции прерывности, дискретности) лежит представление об атомистическом строении вещества. Согласно корпускулярной теории все виды материи состоят из частиц (квантов), имеющих определенную энергию, точечные размеры, обладающих связями. При этом взаимодействия между этими частицами передаются без физической среды (принцип дальнодействия).
Континуальная теория описывает волновые процессы. Здесь материя рассматривается как форма поля, равномерно распространенного в пространстве. После случайного возмущения поля возникают волны, взаимодействие которых приводит к появлению атомов, молекул и других частиц. Согласно континуальной теории передача взаимодействия происходит от точки к точке (принцип близкодействия).
2.2 Структурные уровни материи
В настоящее время считается, что признаком структуры материи являются размер объекта и его масса. На основе этих критериев выделяют следующие уровни организации (структурные уровни) материи: микромир, макромир, мегамир.
-микромир – область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных объектов, размер которых определяется в диапазоне от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с. Это мир атомов и элементарных частиц, которые обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
- макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком. На этом уровне пространственные величины измеряются в диапазоне от миллиметров до километров, а время в диапазоне от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами (полимеры), веществами в различных агрегатных состояниях (газ, жидкость, твердое), живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности.
- мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками (см 4.1), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню относятся наиболее крупные материальные объекты и их системы: звезды, галактики и их скопления (метагалактики).
2.3 Основы классической физики.
Эволюция классической физики представляет собой формирование механистической, термодинамической и электромагнитной картин мира.
Основы классической физики были заложены в XVI в Г.Галиллеем, а затем развиты в XVII в в механике И.Ньютона.
2.3.1 Механистическая картина мира
Первой составляющей классической физики является классическая механика. Основой ее является механистическая картина мира (МКМ). Основные положения МКМ:
-
Материя отождествляется с веществом. Частицей вещества является материальная частица малых размеров.
-
Природа есть совокупность взаимодействующих материальных частиц, все явления природы объясняются механическим перемещением этих частиц.
-
Физические тела – это совокупность материальных частиц. При изучении физические тела представляют в виде материальной точки или абсолютно твердого тела.
-
Физической мерой взаимодействия тел является сила. Взаимодействие тел в макромире объясняется действием гравитационных (сила тяготения) и электромагнитных сил.
-
В механистической картине мира все причинно-следственные связи однозначные (лапласовый детерминизм).
-
Согласно механистической картине мира микромир аналогичен макромиру.
Важнейшими принципами МКМ являются:
-
принцип относительности,
-
принцип дальнодействия,
-
принцип причинности.
Принцип относительности Галилея - все инерциальные системы отсчета (ИСО) с точки зрения механики совершенно равноправны (эквивалентны). Инерциальной (ИСО) называется система отсчета, которая находится в состоянии покоя, либо движется прямолинейно и равномерно. Переход от одной ИСО к другой осуществляется на основе преобразований Галилея для координат и времени. Например, скорость тела относительно неподвижной системы координат равна сумме скорости тела относительно движущейся системы координат и скорости системы отсчета относительно неподвижной системы отсчета.
Принцип дальнодействия: взаимодействие между телами передается мгновенно, и промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает.
Принцип причинности (лапласовский детерминизм) (детерминизм – предопределенность). Законы классической физики устанавливают однозначные связи между явлениями, которые они описывают. Математик Лаплас утверждал следующее: “Всякое имеющее место явление связано с предшествующим на основании того очевидного принципа, что оно не может возникнуть без производящей причины. Причина и следствие взаимосвязаны, влияют друг на друга. Следствие одной причины может стать причиной другого следствия”.
2.3.2 Законы сохранения.
Важными законами в классической физике являются законы сохранения.
Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов есть величина постоянная. Т.е. электрические заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков.
Закон сохранения массы вещества. Массы веществ, вступивших во взаимодействие (реакцию), всегда будут равны массам веществ, образовавшихся в результате взаимодействия.
Закон сохранения энергии. Энергия никогда не образуется и не уничтожается, она только переходит из одного вида в другой. Энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия материи.
Закон сохранения энергии и в настоящее время является важнейшим научным принципом. Новая форма действия этого закона основана на учете взаимосвязи массы и энергии:
Е = mс2,
где E — энергия тела, m — его масса, c — скорость света в вакууме, равная 300 000 км/с.
Таким образом, в современной физике закон сохранения массы применяется совместно с законом сохранения энергии.
Закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы, на которую не действуют внешние силы (или действие этих сил скомпенсировано), сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Импульс (количество движения) – векторная физическая величина, характеризующая меру механического движения тела. В классической механике импульс тела p равен произведению массы этого тела m на его скорость v, направление импульса совпадает с направлением вектора скорости:
p = mv
Следствием законов сохранения являются законы движения. Классическая физика опирается на законы движения Ньютона.
Первый закон (закон инерции): тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока на него не оказывают воздействие другие тела. Способность тела сопротивляться воздействию на него сил называется инертностью.
Второй закон: ускорение, приобретаемое телом в результате воздействия на него силы, прямо пропорционально действующей силе и обратно пропорционально массе тела. Если ускорение равно а, сила равна F, масса равна m, то
a = F/m.
Третий закон: силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по величине (модулю) и противоположны по направлению. Силы действуют вдоль прямой, соединяющей эти тела, т.е. каждому действию всегда соответствует равное и противоположно направленное противодействие.
Из второго и третьего законов движения вытекает закон сохранения импульса.
Система законов движения была дополнена законом всемирного тяготения.
Закон всемирного тяготения: тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна произведению их масс, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Законы Ньютона послужили основой классического естествознания, но по своей сути МКМ являлась метафизичной (т.е. абстрактной, не учитывающей внутренние связи), т.к. все многообразие законов материального мира сводилось к механике. Механистическая картина мира фактически отвергала качественные изменения, сводя все к изменениям чисто количественным.
2.3.3 Термодинамическая картина мира
Второй составляющей классической физики является термодинамика. Термодинамика описывает тепловые явления в макромире и опирается на положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Основные положения молекулярно-кинетической теории:
-
любое вещество состоит из большого числа молекул;
-
молекулы вещества находятся в состоянии непрерывного хаотического движения;
-
скорость движения молекул зависит от температуры тела;
-
между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.
Согласно положениям молекулярно-кинетической теории теплота рассматривается как характеристика внутреннего движения частиц: чем больше скорость движения частиц, тем выше температура тела. Таким образом, теплота есть мера изменения энергии тела.
Классическая термодинамика сформулировала несколько принципов (начал). Всякая термодинамическая система обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена. Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то для всех тепловых явлений должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Из этого вытекает первое начало термодинамики.
Первое начало термодинамики: количество теплоты ΔQ , сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии ΔU и на совершение телом работы А:
Δ Q= ΔU+ A
Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможно создать вечный двигатель первого рода, т. е. такой двигатель, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.
Термодинамические процессы необратимы. Приведем пример необратимого процесса. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому. Обратный процесс – самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому – никогда не произойдет.
Любая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакую работу.
Второе начало термодинамики: нельзя осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Второе начало термодинамики часто формулируют иначе: в закрытой системе тепло не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему.
Для отражения однонаправленности процесса передачи энергии было введено понятие энтропия (от греч. entropia — поворот, превращение). Энтропия (S) – величина, которая характеризует состояние системы и является мерой ее неупорядоченности (беспорядка, хаоса). Когда к системе подводится некоторое количество теплоты, ΔQ, то энтропия системы S возрастает на величину, равную ΔS = ΔQ/T.
Второе начало термодинамики называют также законом возрастания энтропии (немецкий физик Р.Ю. Клаузиус): для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.
Физический смысл закона возрастания энтропии сводится к тому, что изолированная система самопроизвольно стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью, т.е. в состояние с наибольшим беспорядком. Это наиболее простое состояние системы (или состояние термодинамического равновесия). Следовательно, максимального значения энтропия достигает в состоянии полного термодинамического равновесия, что эквивалентно макимальному хаосу.
Таким образом, замкнутая система, находящаяся в состоянии равновесия, обладает максимальной неупорядоченностью и минимальной энергией.
В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, В.Томпсон и Р.Ю. Клаузиус утверждали, что энтропия Вселенной в процессе ее эволюции должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения во Вселенной со временем перейдут в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел сравняется, т. е. наступит полное тепловое равновесие, и все процессы прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной.
Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что Вселенная является безграничной, бесконечно развивающейся незамкнутой системой, и к ней нельзя применять второе начало термодинамики, которое описывает замкнутые системы.
Классическая термодинамика находиться в противоречии с теорией эволюции Ч.Дарвина, согласно которой процесс развития растительного и животного мира характеризуется непрерывным усложнением, нарастанием организованности и порядка. Живая природа стремится уйти от термодинамического равновесия и хаоса, т.е. наблюдается явное несоответствие законов развития неживой и живой природы. Эти противоречия объясняет синергетика - междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем. Стоит отметить, что в философию постулат о способности материи к саморазвитию, самоорганизации был введен достаточно давно. А вот необходимость его рассмотрения в естественных науках начинает осознаваться только сейчас. Общий смысл положений синергетики будет рассмотрен в следующих главах пособия (см.п. 8.4).
3.2.4 Электромагнитная картина мира
Третьей составляющей классической физики является теория электромагнитного поля, которая является основой электромагнитной картины мира. В XVIII веке при изучении электрических явлений было установлено, что: