Концепция современного естествознания рабочая программа, методические указания по выполнению контрольных работ для студентов заочной формы обучения

1   2   3   4   5

1. Понятие о картине мира

Познание мира человеком есть диалектически сложный v противоречивый процесс, творческий по своему характеру.

По мере накопления экспериментальных данных постепенно создавалась величественная и сложная картина окружающего нас мира и Вселенной в целом.

Научные поиски и исследования, проведенные на протяжении многих веков позволили И. Ньютону открыть и сформулировать фундаментальные законь: механики - науки о механическом движении материальных тел и происходящих прр этом взаимодействиях между ними. Во времена Ньютона эти законы казались настолько всеобъемлющими, что были положены в основу построения механической картины мира, согласно которой все тела должны состоять из абсолютно тверды* частиц, находящихся в непрерывном движении. Взаимодействие между телами осуществляется с помощью сил тяготения (гравитационных сил). Все многообразие окружающего мира, по Ньютону, заключалось в различии движения частиц.

Механическая картина мира господствовала до тех пор, пока в 1873 г. Дж. Максвеллом не были сформулированы уравнения, описывающие основные закономерности электромагнитных явлений. Эти закономерности не могли быть объяснены с точки зрения механики Ньютона. В отличие от классической механики, где предполагается, что взаимодействие между телами осуществляется мгновение (теория дальнодействия), теория Максвелла утверждала, что взаимодействие осуществляется с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме, посредством электромагнитного поля (теория близкодействия). Создание специальной теории относительности - нового учения о пространстве и времени - дало возможность полностью обосновать электромагнитную теорию.

В состав всех без исключения атомов входят электрически заряженные частицы. С помощью, электромагнитной теории можно объяснить природу сил, действующих внутри атомов,' молекул и макроскопических тел. Это положение и легло в основу создания электромагнитной картины мира, согласно которой все происходящие в окружающем нас мире явления пытались объяснить с помощью законов электродинамики. Однако объяснить строение и движение материи только электромагнитными взаимодействиями не удалось.

Первым шагом на пути построения новой физической картины мира явилась гипотеза М. Планка, сформулированная в 1900 г.: атомы излучают свет дискретными порциями, квантами.

А. Эйнштейном было высказано предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается веществом дискретными порциями, квантами.

Следующим шагом явилась .модель атома водорода, предложенная в 1913 г. Н. Бором. Эта модель построена на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами.

Наконец, в 1924 г. Л. де Бройль сформулировал общий принцип, важный для построения новой физической теории, принцип корпускулярно-волнового дуализма. По существу, это была попытка синтезировать две физические картины мира ньютоновскую (корпускулярную) и максвелловскую (полевую-волновую).


Окончательно новая физическая теория, получившая название квантовой, приобрела завершенную форму благодаря трудам Э. Шредингера.

Первоначально квантовая механика создавалась как теория электронных оболочек атомов. Дальнейший прогресс был достигнут благодаря объединению принципа квантования с принципами теории относительности. В результате удалось получить уравнение, наиболее справедливо отражающее свойства электрона, в частности, его специфическую квантовую характеристику, спин. Только с учетом спина и принципа Паули, согласно которому два электрона не могут находится в атоме н одном и том же состоянии, были раскрыты закономерности строения электронных оболочек атомов и объяснен периодических закон Менделеева.

В течение десятилетий физики считали главной задачей проникновение в структуру материи. Исследование электронной оболочки атома, а на этой основе и свойств твердого тела, стали эпохальными для физики XX в.

Проникновение в структуру атомного ядра, а затем и в структуру ряда типов частиц явилось продолжением научного штурма общих принципов структурной организации материи.

Итак, нам предстоит обобщить имеющиеся сведения с точки зрения современной физики на структурные формы материи, закономерности их взаимодействия, основываясь на неисчерпаемости материи и возможности ее познания, т.е. проследить за диалектическим развитием материального мира. С точки зрения современной физики обобщать эти сведения следует начать с элементарных частиц, так как на ранней стадии развития Вселенной именно они образовались первыми. На сегодняшний день известно несколько сотен (порядка 400) элементарных частиц, причем стабильными являются лишь фотоны, нейтрино, электроны и их античастицы и в определенной степени протоны. Все остальные частицы не являются стабильными. Многочисленными исследованиями было установлено, что истинно элементарными частицами, не проявляющими внутреннюю структуру, на сегодняшний день можно считать лишь фотоны и пептоны.

Наличие большого числа элементарных частиц наводит на мысль, что не все они являются простейшими. В 1964 г., независимо друг от друга, М. Гелл-Ман и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой большинство известных элементарных частиц построены из так называемых фундаментальных - «первичных» частиц -кварков. Опыт по рассеянию нейтрино и электронов сверхвысоких энергий на нуклонах подтвердили кварковую структуру протонов и нейтронов. Но «расщепить» нуклоны на кварки не удалось. К сожалению, кварки не наблюдаются в свободном состоянии.

Рассуждения об элементарных частицах приводят к строению атомов и молекул, поскольку именно из них построен окружающий нас мир и мы сами. Атом обусловливает индивидуальность любого химического элемента. В ядро атома входят протоны и нейтроны. Электронные оболочки атомов могут самопроизвольно превращаться в ядра более легких атомов. Этот процесс может идти и в обратном направлении. Из ядер атомов легких элементов могут образовываться ядра атомов более тяжелых элементов. Это происходит при термоядерных реакциях, которые протекают, в недрах звезд.

Первоначальная задача физики элементарных частиц заключалась в том, чтобы найти элементарные структурные единицы материи.

Развитие представлений об эволюции Вселенной из сверхплотного состояния подсказывало другую постановку вопроса: что если фундаментальные структурные единицы материи возникли в процессе расширения Вселенной, в сложной динамике

так называемого «Большого взрыва»? Богатое разнообразие элементарных частиц возникающих в ходе взаимодействий при высоких энергиях, практически ж существует в естественных взаимодействиях при малых энергиях. Однако тако< разнообразие могло существовать в начале «Большого взрыва» и, возможно, при то\ состоянии Вселенной, которой получило название сингулярность, т.е. состоя""* сверхплотного сжатия и гигантских температур. Вероятно, от него и ведут нач. стабильные элементарные частицы, составляющие строительный материал Вселенн в теперешнем ее состоянии.

Особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость друг е друга. Взаимопревращению элементарных частиц по современным данным соответствуют четыре типа физических взаимодействий: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное. Каждому типу взаимодействий соответствую свое поле и кванты этого поля, т.е. взаимодействия обмениваются между собой квантами соответствующих полей. Это качество легло в основу возможности объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц, как различные проявления единого взаимодействия. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий. Предпринимается попытка создать единую теорию трех видов взаимодействий в микромире: слабое, сильное, электромагнитное • «великое объединение». Смелые мечты ученых связаны с поисками возможного суперобъединения, которое включало бы и гравитационное. В этом случае в единую теорию структуры материи наряду с кварками, лептонами и другими элементарными частицами вошли бы и гравитоны.

Таким образом, свойства микрочастиц и их взаимодействий помогают понять эволюцию Вселенной, начиная в момента ее расширения до наших дней.

С точки зрения современной физики все многообразие видов материи может: быть сведено к существованию двух ее основных видов: вещества и поля.

Физические поля обладают свойством связывать элементарные частицы в атомы, молекулы, макротела, планеты и т.д.

Всякое изменение, происходящее в окружающем нас мире, представляв! движение материи. Источником же движения являются четыре типа физических взаимодействий. При движении частица обладает и волновыми свойствами. Таким образом, на данном этапе развития физика утверждает, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем формам материи.

Итак, в мире ничего не существует, кроме движущейся материи, которая существует вечно. Познание мира - процесс бесконечный. Элементарное и сложное в строении вещества понятия относительные и предназначение Человека состоит в том, чтобы исследовать и понять свою Вселенную.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

Скорость света в вакууме с = 2,998 · 1 0⁸ м/с

Постоянная гравитация G = 6,67 • 10^-11 м³/(кг • с²)

Число Авогадро N = 6,02 • 10²³ моль"¹

Универсальная газовая постоянная R = 8,32 Дж/(К • моль) = 1,986 кал/(К • моль)

3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

Гравитационная постоянная - коэффициент пропорциональности, входящий в закон тяготения Ньютона:

F=Gm₁m₂/r²

где F - сила притяжения двух материальных точек массами т₁ и т₂ находящихся на расстоянии г.

Постоянная Авогадро определяет число структурных элементов (атомов, молекул, ионов или других частиц) в единстве количества вещества (в одном моле). Названа в честь итальянского ученого А. Авогадро.

Универсальная (молярная) газовая постоянная, входящая в уравнения состояния одного моля идеального газа:pV_m= RT, где p- давление газа, V_m — молярный объем газа, Т — термодинамическая температура газа. Физический смысл газовой постоянной - это работа расширения одного моля идеального газа под постоянным давлением при нагревании на 1 К. С другой стороны, газовая постоянная - разность молярных теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме Ср - Cv = R.

Постоянная Больцмана равна отношению молярной газовой постоянной к постоянной Авогадро: k = R/N_A.

Постоянная Больцмана входит в ряд важнейших соотношений физики: в уравнение состояния идеального газа, в выражение для средней энергии теплового движения частиц, связывает энтропию физической системы с ее термодинамической вероятностью. Названа в четь австрийского физика Л. Больцмана.

Молярный объем идеального газа, т.е. объем, приходящийся на количество вещества газа 1 моль при нормальных условиях (р_о = 101,325 кПа, Т_о — 273,12 К), определяется из соотношения


V_M=RT₀/p₀


Элементарный электрический заряд (е), наименьший электрический заряд, положительный или отрицательный, равный по значению заряду электрона. Почти все элементарные частицы обладают электрическим зарядом + е или е или являются незаряженными.

Постоянная Фарадея - равна произведению постоянной Авогадро на элементарный электрический заряд (заряд электрона) F =N_Ae. Названа в честь английского физика М. Фарадея.

Скорость света в вакууме (скорость распространения любых электромагнитных волн) представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий, инварианта при переходе от одной системы отсчета к другим.

Постоянная Стефана-Больцмана входит в закон, определяющий полную (по всем длинам волн) испускательную способность черного тела: R = σT⁴, где R - испускательная способность черного тела, Г- термодинамическая температура. Закон сформулирован на основании экспериментальных данных австрийским физиком И. Стефаном (1879), теоретически получен австрийским физиком Л. Больцманом (1884).

Постоянная Вина входит в закон смещения Вина, утверждающий, что длина λ_mах, на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна термодинамической температуре Т излучающего тела: λ_mах=b₁/T

Постоянная Планка (квант действия) определяет широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность величин с размерностью действия. Введена в 1900 г. немецким физиком М. Планком при установлении закона распределения энергии в спектре излучения черного тела.

Постоянная Ридберга входит в выражение для уровней энергии и частот излучения атомов (спектральные серии):


ν=R(1/n_k²-1/n_i²)

где n_k - и n_i - числа, определяющие начальный и конечный уровни энергии. Для каждой спектральной серии n_i - постоянно, a n_k = n_i + 1, n_i - + 2, ... . Введена шведским физиком И.Р. Ридбергом.

Радиус с первой боровской обриты (в теории датского физика Н. Бора) -радиус ближайшей к ядру (протону) электронной орбиты. В квантовой механике определяется как расстояние от ядра, на котором с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон в невозбужденном атоме водорода.

Комптоновская длина волны определяет изменение длины волны электромагнитного излучения при комптоновском рассеянии на электроне λс= h / m_ec, где h - постоянная Планка, т_е - масса покоя электрона, с - скорость света в вакууме. Эффект открыт американским физиком А. Комптоном (1892).

Атомная единица массы применяется в атомной и ядерной физике для выражения масс элементарных частиц атомов и молекул; 1 а.е.м. равна 1/2 массы нуклида углерода ¹²С.

Электрическая и магнитная постоянные - физические постоянные, входящие в формулы электромагнитизма: ε₀ μ₀= 1/с², где с - скорость света в вакууме.

4. Некоторые соотношения между единицами измерений

физических величин

1. Единица длины в СИ - метр (м) - размерность L

1 микрон (мкм) = 10 м; 1 м = 10 мкм

1 ангстрем (А) - 10"¹⁰ м; 1 м = 10¹⁰ А

1 астрономическая единица (а.е.) = 1,496 • 10¹¹ м

1 световой год (св. г.) - 9,4605 • 10¹⁵ м

1 парсек (пк)-3,0857- 10¹⁶м

2. Единица массы в СИ - килограмм (кг) - размерность М
   1 атомная единица массы = 1 а.е.м. = 1,66 • 10^-27 кг
   

2. Единица времени в СИ - секунда (с) • размерность Т
   

1 средние солнечные сутки = 86400 с

1 год = 365,25 суток-3,16· 10⁷с

4. Единица работы, теплоты, энергии в СИ - джоуль (Дж) - размерность L²МT²

1 Дж- 1Н-м = 1м²-кг·с^-2

1 кал-4,19 Дж

1эВ=1,60·10^-19Дж

5. Единица мощности, теплового потока в СИ - ватт (Вт) - размерность L²MT³

1 Вт=1 Дж/с= 1м²-кг-с^-3

1 л.с. = 736 Вт

6. Единица давления, механического напряжения в СИ - Паскаль (Па) размерность L^-1 MT^-2

I

Па- I Н/м² = 10дин/см² = 1 м'¹ · кг • с^-2

I мм рт. ст. = 133 Па

1 атм =1,013·10⁵Па

5. Приставки для образований кратных и дольных единиц

ТАБЛИЦА ВАРИАНТОВ

ВАРИАНТ	ЗАДАЧИ
1	1	5,1	6,1	7,1	9	12,1	13	17,1	18	19	20
2	3	5,2	6,2	7,2	10	12,2	14	17,2	18	19	20
3	4	5,3	6,3	7,3	13	12,3	15,3	17,3	18	19	20
4	1	5,4	6,4	7,4	9	12,4,	16	17,4	18	19	20
5	3	5,5	6,5	7,5	10	12,5	13	17,5	18	19	20
6	4	5,6	6,6	7,6	13	12,.6	14	17,6	18	19	20
7—	1	5,7	6,7	7,7	9	12,7	15,7	17,7	18	19	20
8	3	5,8	6,8	7,8	10	12,8	16	17,8	18	19	20
9	4	5,9	6,9	7,9	13	12,9	15,9	17,9	18	19	20
10	3	5,0	6,0	7,0	10	12,0	16	17,0	18	19	20

Рецензент Михайлов М.А


МГТА.Ротапринт,изд.310,T.I 500,зак.3585, 2003


ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 3

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ 3

ТЕМАТИЧЕСКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ 5

УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПО РАЗДЕЛАМ КУРСА 8

ПОЯСНЕНИЕ К РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЕ 8

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 22

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 32

ПРИЛОЖЕНИЯ. 33

1. ПОНЯТИЕ О КАРТИНЕ МИРА 33
   
2. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ 36
   
3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ 36
   

4. НЕКОТОРЫЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ

ЕДИНИЦАМИ ИЗМЕРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 38

5. ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ .

КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ 39

6. АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ.. ...39