Реферат Физика - основа современного естествознания
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
от 25%
договор
ГОУВПО “МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.П. ОГАРЕВА”
Кафедра Экспериментальной физики
Реферат на тему
Физика - основа современного естествознания
Выполнила: Саушкина Ю. 211гр.
Проверил: к. ф. м. н. доцент Сажин Ю.Н.
Саранск 2011
Содержание
Введение …………………………………………………………….........…….3
1. Квантовая теория
1.1 Возникновение квантовой физики……………………………..…...4
1.2 Принцип неопределенности……………………………………..…..7
2. Теория относительности
2.1 Возникновение теории относительности……………………………9
2.2 Специальная теория относительности………………………………12
2.3 Общая теория относительности……………………………………...16
Заключение……………………………………………………………………….19
Список используемой литературы……………………………………………...20
Введение
Физика - основа естественных наук. Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира - так считал А. Эйнштейн.
Одна из задач физики - выявление самого простого и самого общего в природе. В современном представлении самое простое - так называемые первичные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы, и т.п. Учитывая определяющую роль физики и ее значение в науке, ее называют основой и лидером современного естествознания.
Структура физики сложна. В нее включаются различные дисциплины или разделы. В зависимости от изучаемых объектов выделяют, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику твердого тела. В зависимости от изучаемых процессов или форм движения материи выделяют механику материальных точек и твердых тел, механику сплошных сред, термодинамику и статистическую механику, квантовую механику и квантовую теорию поля. В зависимости от ориентированности на потребителя получаемого знания выделяют фундаментальную и прикладную физику. Принято выделять также учение о колебаниях и волнах, рассматривающее механические, акустические, электрические и оптические колебания и волны под единым углом зрения. В основе физики лежат фундаментальные физические принципы и теории, которые охватывают все разделы физики и наиболее полно отражают суть физических явлений и процессов действительности.
Когда говорят о современной физике, обычно имеют в виду две фундаментальные концепции, возникшие в двадцатом веке – квантовую теорию и теорию относительности.
Возникновение квантовой физики
Несмотря на блестящие успехи электродинамики Максвелла-Герца, в конце прошлого столетия оставалась неразрешенной еще одна проблема. Речь идет об излучении, испускаемом нагретым теплом, - мы можем наблюдать его, например находясь возле горячей печи или раскаленного куска железа. Не останавливаясь на частностях, связанных со свойствами материалов рассмотрим тепловое излучение абсолютного тела. Под этим термином понимают тело, полностью поглощающее все длины волн падающего на него излучения. Представим себе некоторую полость с маленьким отверстием: при дневном свете она выглядит совершенно черной. Каждый падающий извне световой луч многократно отражается от внутренних стенок полости, частично поглощаясь при этом, так что в конечном итоге от упавшего луча ничего не остается.
Однако черное тело обладает также способностью к самостоятельному излучению. Как и любое другое тело, оно испускает в окружающее пространство непрерывный спектр волн, определяемый температурой тела.
Полная энергия излучения черного тела зависит прежде всего от его
температуры. Однако, не останавливаясь на этом, мы поставим следующий
вопрос: каким образом при данной температуре распределяется интенсивность излучения черного тела между волнами различной длины? Это можно исследовать с помощью спектрального прибора, который разлагает излучение на отдельные линии. Излучение в каждой узкой области спектра направляют на чувствительный приемник и измеряют его интенсивность. Оказывается, что каждая область длин волн характеризуется определенной интенсивностью, причем для каждой температуры наблюдается свое особое распределение.
К этой мысли пришли два английских ученых – Джон В. Рэлей (1842-1919) и Джеймс Джинс (1877-1946). Они рассмотрели ящик кубической формы с «зеркальными» внутренними стенками, в который через отверстие впускается небольшое количество лучистой энергии любой длины волны. Внутри ящика это излучение начинает «метаться», отражаясь то от одной стенки; при этом возникают стоячие электромагнитные волны. С помощью дополнительного «хитрого трюка» подобный мысленный эксперимент можно сделать интересным, если поместить в ящик Джинса кусочек угля, который является абсолютно черным телом и поэтому поглощает падающее на него излучение, а затем, нагреваясь, излучает сам. Излучение этого уголька состоит из волн различной длины; в конце концов устанавливается равновесие между волнами, допустимыми в кубическом ящике, и излучением черного тела, моделируемого кусочком угля.
Но когда Рэлей и Джинс вычислили энергию, приходящуюся на определенный интервал частот, они получили неожиданный результат: плотность энергии излучения полости должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Но в этом случае заключенная в ящике Джинса энергия должна была бы почти полностью сосредоточиться в коротковолновой части спектра. Тогда любая комнатная печь, которая с физической точки зрения достаточно точно моделируется ящиком Джинса, была бы накопителем смертоносного излучения. Мимолетного взгляда в приоткрытую дверцу печи было бы достаточно, чтобы излишне любознательный отправился бы к праотцам. Разумеется, подобный этому вывод резко противоречит всему жизненному опыту. Он и по сей день носит название «ультрафиолетовой катастрофы» и служит напоминанием о фиаско, которое потерпела наука, признававшаяся всеми физиками того времени совершенно непоколебимой.
Но вот положение изменилось, Макс Планк рассматривал внутренние
стенки излучающей полости как содержащие множество
крошечных «осцилляторов», которые действуют как источники излучения.
В отличие, от колеблющегося маятника, который может иметь любые значения энергии, могут обладать лишь энергией, строго равной целому числу квантов. Каждый квант представляет собой элементарный пакет, дающий строго определенный вклад в энергию.
Если, согласно закону Рэлея – Джинса, интенсивность излучения с ростом частоты неограниченно возрастает, то кривая, полученная Планком по достижении максимума, загибается вниз, принимая, колоколообразную форму, точно совпадающую с экспериментальной кривой. Если бы успех новой идеи сводился только к этому, вряд ли стоило бы придавать ей особое значение. Она была бы гипотезой, предложенной для объяснения одного явления. Но гипотеза квантов привела к единственно правильному решению важной проблемы и сразу попала в «горячую точку» дискуссий.
Для окончательного решения проблемы необходимо было получить прямое доказательство существования квантов и установить численное значение постоянной Планка другими методами.
Эйнштейн первым выдвинул верную идею о том, что волновая теория в этом случае «отказывает». Ее следует заменить квантовой теорией. Энергия излучения распространяется не непрерывным потоком, а отдельными дискретными порциями. Подобно каплям града, бомбардируют они атом калия. Если такая частица попадает точно в атом и если она обладает достаточной энергией, то из атома выбивается электрон. Остается даже небольшой избыток энергии, который эмиттированный электрон уносит с собой в виде кинетической энергии.
Планк предложил свою гипотезу квантов исключительно для объяснения
характерного для абсолютного черного тела распределения излучения. Он был достаточно осторожен и не стремился распространить ее на другие явления.[1]
Принцип неопределенности
В
В этом случае нет никакой необходимости вводить в теорию положение, скорость или траекторию электронов в атоме. В расчеты следует вводить лишь те величины, которые связаны с реально наблюдаемыми стационарными состояниями, переходами между ними и сопровождающими их излучениями. В матрицах элементы были расположены в строки и столбцы, причем каждый из них имел два индекса, один из которых соответствовал номеру столбца, а другой - номеру строки. Диагональные элементы описывают стационарное состояние, а недиагональные - описывают переходы из одного стационарного состояния в другое.
Величина же этих элементов связывается с величинами, характеризующими излучение при данных переходах. Именно таким способом Гейзенберг строил матричную теорию. И хотя наличие в аппарате его теории матриц, изображающих координаты и импульсы электронов в атомах, оставляет сомнение в полном исключении ненаблюдаемых величин, Гейзенберту удалось создать новую квантовую концепцию, составившую новую ступень в развитии квантовой теории, суть которой состоит в замене физических величин, имеющих место в атомной теории, матрицам - таблицам чисел.
Результаты, к которым приводили методы, используемые в волновой и матричной механике, оказались одинаковыми, поэтому обе концепции и входят в единую квантовую теорию как эквивалентные. Методы матричной механики, в силу своей большей компактности часто быстрее приводят к нужным результатам. Методы волновой механики, лучше согласуется с образом мышления физиков и их интуицией.
Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, в соответствии с которым координаты и импульс не могут одновременно принимать точные значения. Для предсказания положения и скорости частицы важно иметь возможность точно измерять ее положение и скорость. Чем точнее измеряется положение частицы, тем менее точными оказываются измерения скорости.
Хотя световое излучение состоит из волн, однако в соответствии с идеей Планка, свет ведет себя как частица, ибо излучение и поглощение его осуществляется в виде квантов. Принцип неопределенности же свидетельствует о том, что частицы могут вести себя как волны - они как бы "размазаны" в пространстве, поэтому можно говорить не об их точных координатах, а лишь о вероятности их обнаружения в определенном пространстве. Таким образом, квантовая механика фиксирует корпускулярно-волновой дуализм - в одних случаях удобнее частицы считать волнами, в других, наоборот, волны частицами. Между двумя волнами-частицами можно наблюдать явление интерференции. Если гребни одной волны совпадают с впадинами другой волны, то они гасят друг друга, а если гребни и впадины одной волны совпадают с гребнями и впадинами другой волны, то они усиливают друг друга.[7]
Возникновение теории относительности
В конце XIX столетия стало ясно, что физика встретилась с серьезными трудностями. К этому времени классическая, ньютоновская динамика находилась на прочном основании: считалось, что эта теория справедлива в любой интерциональной системе отсчета и что все такие системы равноправны. Была также твердо обоснована максвелловская теория электромагнетизма, и физики пришла к выводу, что свет представляет собой электромагнитны волны, правильно описываемые уравнениями Максвелла. Важной составной частью теории распространения электромагнитных волн было понятие эфира. В те годы царило механистическое воззрение на элетромагнитные явления и считалось, что для распространения волн в том числе и световых, нужна среда- в данном случае эфир. Полагали, что уравнения Максвелла справедливы в системе отсчета, покоящейся относительно эфира. В отличие от уравнений Ньютона, которые, как было известно, годились во всех системах отсчета, уравнения Максвелла как будто требовали преимущественной системы отсчета.
Механическое воззрение на природу электромагнитных явлений приводило ко все новым трудностям. Чтобы объяснить новые экспериментальные факты, физикам приходилось вводить многочисленные произвольные предположения. В конце концов были получены почти все уравнения, которые мы по сей день считаем справедливыми, однако эти результаты никого не удовлетворяли, поскольку их объясняли на базе шатких допущений и неразрывно связывали с неуловимым эфиром.
Наконец, теория эфира окончательно зашла в тупик, когда три различных эксперимента привели к следующим выводам:
- эфир увлекается движущейся Землей, так что все лабораторные установки, на которых проводятся эксперименты, всегда покоятся относительно эфира;
- Земля свободно движется сквозь эфир, который покоится относительно «неподвижных» звезд;
- движущаяся материальная среда, в которой распространяется свет, увлекает за собой эфир, но уже со скоростью, составляющей только половину скорости среды. Натолкнувшись на эти противоречивые результаты, теория эфира в конце концов рухнула.
В 1905 год у Альберт Эйнштейн (1879-1955) выдвинул новую радикальную идею. Одним смелым ударом он отбросил теорию эфира с ее произвольными предположениями и замени ее только двумя постулатами. На базе этих постулатов Альберт Эйнштейн построил величественную теорию, которая стала образом логического совершенства. Теория относительности Эйнштейна перебросила мост между механикой и электромагнетизмом и связала воедино обе великие теории классической физики.
Найденное Альбертом Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время – совершенно различно и не связанные друг с другом понятия. С точки зрения Эйнштейна, мы живем не в трехмерном пространстве, к которому присоединяется понятие времени; напротив – пространственные и временная координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство- время.
Тем, кто впервые сталкивается с теорией относительности, ее представления могут показаться несколько странными и искусственными. Однако предсказываемые этой теорией явления становятся заметными лишь при скоростях, близких к скорости света, тогда как наше мышление основывается на повседневном опыте, в котором столь высокие скорости движения никогда не встречаются. Если бы мы жили в мире больших скоростей, то представление теории относительности были бы естественными и легко воспринимались. И все же обязаны следовать принципу: если экспериментальные факты находятся в противоречии с предшествующими воззрениями, то надо менять не факты, а воззрение. В сущности эти воззрения были проявлением того же «здравого смысла», который когда- то поддерживал представление о том, что Земля плоская. [2]
Теория относительности всегда играла в современной физике особо важную роль. В ней впервые была показана необходимость периодического изменения основополагающих принципов физики. Поэтому обсуждение тех проблем, которые были подняты и отчасти решены теорией относительности, существенно необходимо для рассмотрения философских аспектов современной физики. В известном смысле можно сказать, что создание теории относительности противоположности квантовой теории потребовало сравнительно немного
времени с момента окончательного осознания трудностей, о которых в данном случае шла речь, до их разрешения.[5]
Специальная теория относительности
Эйнштейн кладет два принципа, которые он формулирует следующим образом:
1. Принцип относительности (позднее названный специальным принципом относительности). Законы, управляющие всеми физическими явлениями,- одни и те же для двух наблюдателей, движущихся равномерно и прямолинейно относительно друг друга.
2. Принцип постоянства скорости света. Свет распространяется в пустоте с постоянной скоростью по всем направлениям независимо от движения источника и наблюдателя.
Из этих двух принципов Эйнштейн вывел математически лоренцево сокращение движущихся тел при их наблюдении из покоящейся системы: если скорость движущегося тела приближается к скорости света, сжатие достигает максимума и тело сжимается в плоскую фигуру. Отсюда следует, что скорость, превышающая скорость света в пустоте, не имеет никакого физического смысла, т. е. скорость распространения света в пустоте - максимально достижимая в природе.
Принцип постоянства скорости света находится в прямом противоречии с принципами классической механики. Он устанавливает верхний предел возможных скоростей, тогда как в классической механике возможны сколь угодно большие скорости. Поэтому новый постулат приводит к изменению правила сложения скоростей классической механики. Так, сложение скорости света со скоростью источника дает во всех случаях опять-таки скорость света. Классическая формула сложения скоростей одинакового направления очень проста: результирующая скорость равна алгебраической сумме составляющих скоростей. Релятивистская формула, найденная Эйнштейном, более сложна и обладает тем свойством, что при малых скоростях, далеких от скорости света, она практически эквивалентна классической формуле, отклоняясь от нее тем больше, чем больше складывающиеся скорости
Утверждения релятивистской механики отличаются от утверждений классической механики, но переходят в них при малых скоростях. Таким образом, классическая механика оказывается первым приближением, справедливым для обычных условий; этим и объясняется, почему ее считали точной и соответствующей опыту в течение более чем двух столетий.
«Было бы нелепо, - говорит Эйнштейн в одной из своих популярных книг, - применять теорию относительности к движению автомобилей, пароходов и поездов, как нелепо употреблять счетную машину там, где вполне достаточно таблицы умножения»
Одним из первых следствий из принятых постулатов является то, что все физические законы или, лучше сказать, их математические выражения остаются инвариантными при лоренцевых преобразованиях. Тем самым был установлен критерий для определения того, укладывается ли какой-нибудь закон в релятивистскую схему: достаточно убедиться, что его математическое выражение не меняет своей формы при лоренцевых преобразованиях. Таким образом было установлено, например, что уравнения Максвелла укладываются в релятивистскую схему, а закон всемирного тяготения не вписывается в нее. Минковский, у которого некогда учился Эйнштейн в Цюрихе, в своей знаменитой теории, сформулированной в 1907 - 1908 гг. и исходящей из положения, что пространство и время - абсолютно неотделимые понятия, ввел новый формализм, в котором математическая форма записи закона гарантирует его инвариантность при лоренцевых преобразованиях.
Естественно, основное положение классической механики - пропорциональность силы ускорению - существенным образом изменяется в новой механике. Даже не прибегая к математическим расчетам, можно догадаться о необходимости таких изменений. Действительно, поскольку скорость света принята максимально возможной в природе, никакая сила не может увеличить скорость тела, движущегося со скоростью света, т. е. при этих условиях сила уже не вызывает ускорения. В релятивистской механике тело тем труднее ускорить, чем больше его скорость. А поскольку сопротивление изменению скорости тела называют массой тела, отсюда вытекает, что масса тела возрастает со скоростью. В то время как классическая механика рассматривает массу тела как постоянную величину, в теории относительности она считается переменной и зависящей от скорости. Та масса, которая рассматривается в классической механике, - это релятивистская масса покоя. Более того, релятивистская механика доказывает, что масса зависит не только от скорости, но и от направления силы. Поэтому говорят о продольной массе и поперечной массе. В связи с этим интересно отметить, что еще в
Изменение массы можно экспериментально обнаружить лишь при больших скоростях, близких к скорости света. Идеальными объектами для этой экспериментальной проверки являются электроны. И действительно, в
В том же
Эквивалентность массы и энергии представлялась самым парадоксальным утверждением теории относительности. Но мы уже убедились выше, что точка зрения теории относительности является весьма плодотворной. Все человечество убедилось в этом на трагическом примере - взрыве бомбы в Хиросиме. [4]
Общая теория относительности
Принцип эквивалентности послужил отправной точкой для переработки теории относительности в новую теорию, которую Эйнштейн назвал общей теорией относительности (в отличие от нее прежняя теория была названа специальной).
Новая теория была изложена Эйнштейном после подготовительных работ 1914—1915 гг. в фундаментальном труде «Die Grundlage der allgemeinen Relativitatstheorie» («Основы общей теории относительности»). Вторая часть этой работы посвящена описанию математического аппарата, необходимого для развития этой теории. К счастью, такой аппарат уже существовал — это было так называемое «абсолютное дифференциальное исчисление», приведенное в систему еще в
Основной постулат общей теории относительности заключается в том, что не существует привилегированных систем координат. «Законы физики,— говорит Эйнштейн,— должны быть таковы по природе, что они должны быть применимы к произвольно движущимся системам отсчета».
Законы физических явлений сохраняют свою форму для произвольного наблюдателя, так что уравнения физики должны оставаться инвариантными не только при лоренцевых, но и при произвольных преобразованиях.
Выведенные отсюда Эйнштейном математические следствия не менее важны, чем следствия из специальной теории относительности. Они ведут к дальнейшему обобщению понятий пространства и времени. Если кинематическое изменение видоизменяет или уничтожает гравитацию в какой-либо системе отсчета, то ясно, что между гравитацией и кинематикой существует тесная связь. А поскольку кинематика — это геометрия, к которой добавлена еще одна, четвертая переменная — время, то Эйнштейн интерпретирует явления гравитации как геометрию пространства-времени. Отсюда вытекает что, согласно общей теории относительности, наш мир не является евклидовым; его геометрические свойства определяются распределением масс и их скоростями.
С помощью знаменитого мысленного эксперимента, о котором было много споров, Эйнштейн со всей очевидностью показал тесную связь между кинематикой и геометрией. Предположим, что наблюдатель находится на круглой платформе, быстро вращающейся по отношению к внешнему наблюдателю. Внешний наблюдатель вычерчивает в своей, галилеевой системе отсчета окружность, равную внешней окружности платформы, измеряет ее длину и ее диаметр, составляет их отношение и находит число π евклидовой геометрии. Наблюдатель, находящийся на платформе, выполняет те же измерения с помощью той же линейки, которой пользовался внешний наблюдатель. Линейка, помещенная вдоль радиуса платформы, хотя и находится в движении относительно внешнего наблюдателя, не претерпевает изменения длины, потому что платформа движется перпендикулярно радиусу. Но когда наблюдатель начинает измерять периметр платформы, то линейка по отношению к внешнему наблюдателю представляется укороченной, потому что в этом положении она движется в направлении своей длины (лоренцево сокращение), платформа кажется более длинной и для числа π получается значение, большее, чем в предыдущем случае.
Аналогичное явление имеет место и со временем. Если взять двое идентичных часов и одни поместить в центре платформы, а другие — на периферии, то внешний наблюдатель увидит, что часы, находящиеся на периферии и движущиеся по отношению к другим часам, идут медленнее, чем часы, находящиеся в центре, и придет к заключению, что часы на периферии действительно отстают.
Но, согласно принципу эквивалентности, явления движения аналогичны явлениям гравитации. Следовательно, в гравитационном поле евклидова геометрия уже не справедлива, а часы отстают. Пример с платформой имеет прежде всего дидактическое значение; математически гравитационное поле отличается от центробежного поля вращающейся платформы. В гравитационном поле, создаваемом центральной массой, сокращаются радиальные размеры и остаются неизменными поперечные.[ 4]
Общая теория относительности - общая физическая теория пространства, времени и тяготения - явилась новым этапом в развитии теории тяготения. Эйнштейн характеризовал отличие новой теории тяготения от старой следующим образом:
1. Гравитационные уравнения общей теории относительности могут быть применены к любой системе координат. Выбрать какую-либо особую систему координат в специальном случае - дело лишь удобства. Теоретически допустимы все системы координат.
2. Ньютонов закон тяготения связывает движение тела здесь и теперь с действием другого тела в то же самое время на далеком расстоянии. Этот закон стал образцом для всего механического мировоззрения.
3. Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образована массами и их скоростями. Гравитационные уравнения общей теории относительности стремятся раскрыть геометрические свойства нашего мира."[6]
.
Заключение
Итак, что же представляет собой современная физика и какова тенденция ее развития? Физика, в представлении В.Вайскопфа, - это дерево, в нижней части ствола которого находятся классическая физика, электродинамика и физика теплоты вместе с широко раскинувшимися ветвями. Выше по стволу находятся атомная физика с ее ветвями, такими как химия, электроника и оптика. Еще выше расположена ядерная физика с ее молодыми ветвями, символизирующими науку о радиоактивности, астрофизические приложения. На вершине, где пока нет ветвей, помещаются современные физика элементарных частиц и космопология. Шестьдесят лет назад верхушкой без ветвей была атомная физика.
Следующий вопрос: какова роль физики в современном мире? По этому поводу В.Гейзенберг выразился следующим образом: "... современная физика представляет собой только одну, хотя и весьма характерную сторону общего исторического процесса, имеющего тенденцию к объединению и расширению нашего современного мира... она, по-видимому, помогает направить развитие по мирным рельсам".
И еще один вопрос: какова цель физической науки? А.Эйнштейн и Л.Инфельд, завершая свою книгу "Эволюция физики", отмечают, что физические концепции стремятся представить картину реальности и установить ее связь с миром чувственных восприятий.
По-моему мнению физика величайшая наука всех времен! И я считаю, что все величайшие открытия в этой области еще впереди.
Список литературы
1. Линдер Г., Картины современной физики, М, изд-во «Мир», 1977. С.109-112
2. Г. Я. Мякишев “Физика” М., 1999. С.353-354
3. В.Гейзенберг, Физика и философия, М., Наука, 1989.
4. Марио Льоцци История физики, М: Мир, 1970. С.323- 327
5. Гейзенберг В. Физика и философия. М., 1963. С. 36-37.
6. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М.,1965. С.196.
7. Бройль Л. де. Революция в физике. М.,1963. С.84.