Лекция 8

1. Лекция 8

Фундаментальные законы и принципы
Физическая картина мира
Э. Резерфорда, «… все науки можно разделить на 2
группы – физику и коллекционирование марок».

2.

3.

4.

5.

Доклассическая физика – от античности
до конца 16 века
(от Аристотеля, до Коперника)
Классическая физика – конец 16 века –
начало 20 века
(Начинается с Галилея и Ньютона)
Квантовая физика – Начало 20 века

6.

7.

8. Доклассическая физика

Открывает этап доклассической физики геоцентрическая система
мировых сфер Аристотеля: система идеальных равномерно
вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими
осями вращения, с принципиально различной физикой для земных и
небесных тел.
Завершил создание этой системы древнегреческий астроном Клавдий
Птолемей.
На этом же этапе через полторы тысячи лет польский математик и
астроном Н. Коперник предложил новую достаточно совершенную
систему гелиоцентрическую.
Вершиной гелиоцентрической системы стали законы движения
планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером.
Наиболее значимый вклад натурфилософии была концепция
атомизма – дискретного строения материи. Отцами этой концепции
были Левкипп (V век до н. э. ) (выдвинул эту гипотезу), Демокрит и
Эпикур (развили ее). Согласно концепции атомизма все тела состоят
из атомов – мельчайших неделимых частиц. Демокрит говорил, что в
природе существуют только атомы и пустота.

9.

10.

11.

Коперник один из первых высказал мысль о всемирном тяготении. В его книге (часть I, глава IX) говорится:
Я думаю, что тяжесть есть не что иное, как некоторое стремление, которым Божественный Зодчий одарил
частицы материи, чтобы они соединялись в форме шара. Этим свойством, вероятно, обладают Солнце,
Луна и планеты; ему эти светила обязаны своей шаровидной формой.

12.

13.

14.

15. Абдуррахман аль-Хазини 

Абдуррахман аль-Хазини

16.

17.

Взгляды Альхазена (без
упоминания его имени)
были детально изложены
в книге Эразма Витело,
которая появилась в 1271
году и заслужила
большую популярность;
эта книга издавалась на
протяжении 300 лет и
существенно
содействовала развитию
оптики в Европе.
Титульная страница латинского перевода
«Книги оптики»

18.

19. Классическая физика

Галилео Галилей (15 февраля 1564 г в г.
Пиза – 8 января 1642 г.)
Итальянский физик, механик, астроном,
филосов
и
математик,
оказавший
значительное влияние на науку своего
времени.
Он
первым
использовал
телескоп для наблюдения небесных тел и
сделал ряд выдающихся астрономических
открытий.
Галилей
—
основатель
экспериментальной
физики.
Своими
экспериментами он убедительно опроверг
умозрительную метафизику Аристотеля и
заложил
фундамент
классической
механики.
15 февраля 1564, Пиза — 8 января 1642, Арчетри

20.

II этап.
Классическая физика (конец 16 века – начало 20
века)
Физики (математики) конца 18- начала 17 веков
Иоганн Кеплер
1571 - 1630
Рене Декарт
1596 – 1650
Христиан Гюйгенс
1629 – 1695
Исаак Ньютон
1642 - 1727

21.

22.

23. Классическая физика

• Установлены опытные газовые законы;
• Предложено уравнение кинетической теории газов;
• Сформулированы принцип равномерного распределения
энергии по степеням свободы, первое и второе начала
термодинамики;
• Открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной
индукции;
• Разработана электромагнитная теория;
• Явления интерференции, дифракции и поляризации света
получили волновое истолкование;
• Сформулированы законы поглощения и рассеивания света;
• Разработана электромагнитная теория;
• В физику введена квантовая концепция.

24.

25.

26.

Опыт Ньютона по
разложению белого света
интерференция
Открытия оптики в XVII
1. Сформулирован правильный закон преломления света (Снеллиус 1621)
2. Ферма открыл вариационный принцип
3. В 1676 году Оле Ремёр дал первую оценку скорости света
4. Итальянский физик Гримальди обнаружил явления интерференции и
дифракции (опубликовано посмертно, в 1665 году)
5. В 1669 году было открыто двойное лучепреломление. Впервые обнаружено
датским учёным Расмусом Бартолином на кристалле исландского шпата
6. В 1678 году — поляризация света (Гюйгенс)
7. Главным достижением Гюйгенса стал «принцип Гюйгенса», лежащий в
основе волновой оптики - он наглядно объясняет ход распространения волны
8. Важным этапом в развитии оптики и астрономии стало создание Ньютоном
первого зеркального телескопа (рефлектора) с вогнутым сферическим
зеркалом
9. 1704 г. - Ньютон опубликовал теорию цветности и доказал, что белый
солнечный свет есть наложение разноцветных составляющих. Свои
представления о свойствах света (не отвлекаясь на гипотезы о его природе)

27.

Электричество и магнетизм — первые исследования
Экспериментальная основа знаний об электричестве и магнетизме к началу XVI века
включала только электризацию трением, свойство магнетита притягивать железо и
способность намагниченной стрелки компаса указывать направление север — юг.
• В 1600 году У. Гильберт: Земля является магнитом.
• Гильберт изобрёл электроскоп, с помощью которого разделил
все вещества на «электрики» (в современной терминологии диэлектрики) и «не-электрики» (проводники).
• У. Гильберт придумал термин «электричество».
• Отто фон Герике в 1672 году изобрёл электростатическую
машину, первым обнаружил, что наэлектризованные тела
могут не только притягиваться, но и отталкиваться.
• Декарт построил первую теорию магнетизма: вокруг
магнита циркулируют потоки винтообразных эфирных
частиц двух типов, с противоположной резьбой. Модель
Декарта, за неимением лучшей, просуществовала почти до
конца XVIII века.

28.

Электричество и магнетизм XVIII век
Бенджамин Франклин
Стивен Грей
Шарль Огюстен де Кулон
Луиджи Гальвани
Алессандро Вольта

29.

30.

Опыт с магдебургскими полушариями
В 1654 году бургомистр города Магдебурга,
немецкий физик Отто фон Герике проделал
опыт. Для этого он использовал два плотно
прижатых друг к другу металлических
полушария диаметром около 14 дюймов (35,5
см), на каждом из которых имелось прочное
железное кольцо. Две восьмёрки лошадей,
впряжённых в эти кольца, тянули в разные
стороны, пытаясь разъединить полушария, но
это им не удалось.

31.

Общая характеристика физики XVIII века
1. Изобретение паровой машина (1784 год),
2. Быстрое развитием металлургии, машинной и военной промышленности интерес
к физике растёт.
3. Начинается выпуск специализированных научных журналов
4. Из «физики» были выделены в отдельные науки: астрономия, геология,
минералогия, техническая механика, физиология.
5. Ускоренными темпами развивались механика и учение о теплоте.
6. Во второй половине века начинается интенсивное изучение электричества и
магнетизма.
7. В рамках ньютоновской системы мира с формируется новая небесная механика.
8. Носителями природных сил по-прежнему считались декартовские «тонкие
материи» - невидимые, невесомые и всепроникающие (теплород, электрическая и
магнитная жидкости).
9. Первоначально теоретическая и прикладная физика развивались в значительной
степени независимо — например, в изобретении очков не участвовали теоретикиоптики. С XVIII века взаимодействие теории с практикой начинает становиться
более интенсивным, хотя в разных разделах физики ситуация разная (паровая
машина) была построена без помощи теоретиков, а вот развитие оптического
приборостроения в XVIII веке уже существенно опирается на хорошо развитую
теорию.
10. Первые шаги в термодинамике.

32. Механика

Оптика
В оптике, под влиянием ньютоновской
критики, волновая теория света в
течение XVIII века почти потеряла
сторонников
Колыбе́ль Ньютона
(маятник Ньютона)
Учение
о теплоте
1. Становление
молекулярнокинетической теории.
Тепло есть движение
внутренних микрочастиц.
2. Открытие значения
абсолютного нуля
температуры -270 °C
Акустика

33.

Общая характеристика физики XIX века
1. Промышленная революция и развитие военной техники стимулируют развитие как
экспериментальной, так и теоретической физики.
2. Появление точных измерительных приборов практически во всех областях.
Разработана математическая теория погрешностей измерения позволяющая оценить
достоверность наблюдаемых физических величин.
3. Тем не менее для истолкования экспериментального материала в первой половине
XIX века часто привлекаются качественные метафизические понятия и надуманные
гипотезы: теплород, электрическая и магнитная жидкости, «звуковая материя» и т. д.
4. Появление новых понятий и физических моделей: волновая теория света,
кинетическая теория тепла, закон сохранения энергии, электомагнитная теория
Максвелла, периодическая система элементов, основанная на атомизме.
5. Появление прикладной физики, ориентированная на решение технологических
задач;
6. Во второй половине XIX века изобретен двигатель внутреннего сгорания
7. Понимание, что не все явления природы основаны на механическом движении.
Второе начало термодинамики не допускало механического обоснования, поскольку
из него вытекала необратимость ряда процессов, а попытки объяснить
электромагнетизм как колебания эфироной среды натолкнулись на непреодолимые
трудности, разрешившиеся только в XX веке с появлением теории относительности
8. В XIX веке появились новые разделы физики, прежде всего - связанные
с электричеством, а также термодинамика, статика, статистическая физика и
механика, теория упругости, радиофизика, метеорология, сейсмология.

34. Опыт Юнга

Волновая теория света
Опыт Юнга

35.

Квантовая физика
Планетарная модель атома
Нильс Бор

36.

37.

38.

Поль Дирак
Эрвин Шредингер

39.

Материя и ее свойства
Материя – бесконечное множество всех сосуществующих в мире
объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и
форм движения. Она включает в себя не только непосредственно
наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны
человеку в его ощущениях.
Неотъемлемым свойством материи является
движение, непрерывность и дискретность.

40.

41.

На современном этапе развития естествознания исследователи
различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и
физический вакуум.
• Вещество представляет собой вид материи, обладающий массой
покоя. К вещественным объектам относят: элементарные частицы,
атомы, молекулы и многочисленные образованные из них
материальные объекты. Свойства вещества зависят от внешних
условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул.
• Физическое поле представляет собой особый вид материи,
обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов
и их систем. К физическим полям относят: электромагнитное и
гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля.
• Физический вакуум
квантового поля.
–
это
низшее
энергетическое
состояние

42.

Всеобщими универсальными формами существования и
движения материи принято считать время и пространство.
• Время выражает порядок смены физических состояний и
является объективной характеристикой любого процесса
и явления.
• Пространство выражает порядок сосуществования
физических тел. Теория пространства – геометрия
Евклида – создана более 2000 лет назад и до сих пор
считается образцом научной теории.

43.

Фундаментальные взаимодействия
• Гравитационное
взаимодействие
проявляется
во
взаимном
притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно
передается посредством гравитационного поля и определяется
фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя
материальными точками массой m1 и m2, расположенными на расстоянии
r друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению
их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними
F = G [(m1*m2) : r2], где G – гравитационная постоянная.
• Электромагнитное взаимодействие обуславливается электрическими
зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей.
Различные агрегатные состояния вещества, трение и упругость
определяются
силами
межмолекулярного
взаимодействия,
электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие
описывается
фундаментальными
законами
электростатики
и
электродинамики, такими как закон Кулона, закон Ампера, и – в
обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей
электрическое и магнитное поля. Согласно квантовой электродинамике,
переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны –
кванты электромагнитного поля с нулевой массой.

44.

• Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно
определяется
ядерными
силами,
обладающими
зарядовой
независимостью,
короткодействием,
насыщением.
Сильное
взаимодействие
отвечает
за
стабильность
атомных
ядер.
Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами –
частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов,
нейтронов и других частиц.
• В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы,
кроме фотона. Оно проявляется главным образом в процессах β-распада
атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов. Принято считать,
что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы – частицы с
массой примерно в 100 раз больше массы протонов и нейтронов.
Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий
обычно используют константу взаимодействия и радиус действия.

45.

Таблица 1. Характеристики фундаментальных взаимодействий
Вид
Константа
взаимодействия взаимодействия
Гравитационное
10-39
Электромагнитное
10-2
Радиус
действия, м
∞
∞
Сильное
1
10-15 м
Слабое
10-14
10-18 м
Источник
Масса
Электрически
заряженные частицы
Частицы, входящие в
состав ядер (протоны,
нейтроны)
Элементарные частицы

46.

Структурные уровни организации материи
В неживой природе в качестве структурных уровней организации
материи выделяют физический вакуум, элементарные частицы, атомы,
молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетарные
системы, звезды и звездные системы – галактики, системы галактик –
метагалактику.
В живой природе к структурным уровням организации материи
относят системы доклеточного уровня – нуклеиновые кислоты и белки;
клетки
как
особый
уровень
биологической
организации,
представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных
единиц живого вещества; многоклеточные организмы растительного и
животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды,
популяции и биоценозы; биосферу как всю массу живого вещества.

47.

48.

49.

50.

51.

52.

Элементарные частицы.
Элементарные частицы – основные структурные элементы микромира.

53.

Первое поколение
Поколения частиц
Второе поколение
Третье поколение
Электрон: e−
Мюон: μ−
Тау-лептон: τ−
Электронное нейтрино: νe
Мюонное нейтрино: νμ
Тау-нейтрино:
u-кварк («верхний»): u
c-кварк («очарованный»): c
t-кварк («истинный»): t
d-кварк («нижний»): d
s-кварк («странный»): s
b-кварк («прелестный»): b

54.

55. Релятивистская механика. Принцип относительности Эйнштейна

56. Эйнштейн о СТО – специальной теории относительности

"С тех пор, как за
теорию
относительности
принялись
математики, я её
уже сам больше не
понимаю".

57. Альберт Эйнштейн (1879-1955)

Великий физик 20 века,
который, в частности
более 30 лет пытался
создать общую теорию,
которая описывала бы
поведение тел,
движущихся со
скоростью, близкой к
скорости света (теорию
относительности или
релятивистскую
механику от англ.
Relativiti –
относительность).

58. Главный вклад Эйнштейна

Состоит в
радикальном
изменении
основополагающих
фундаментальных
представлений о
пространстве,
времени, веществе
и движении.

59. Исходные физические предпосылки СТО. Постоянство скорости света и её предельное значение.

60. Классическое представление о пространстве и времени

Наш генетический опыт утверждает, что
реальный физический мир
характеризуется трёхмерным единым
пространством-временем.
Это означает, что движение материального
объекта в таком мире может быть описано в
декартовой системе координат, каждая из
трёх осей которой является пространственновременной x, y, z ~ t = f (t).
Последнее обусловлено тем, что движения в
пространстве и вне времени, равно как и
движения во времени и вне пространства не
бывает.

61. Что мы понимаем под термином «пространство»?

Пространство однородно и изотропно;
Под однородностью подразумевается, что
ни одна точка пространства ничем не
отличается от другой;
Изотропность – это равноправие по всем
геометрическим свойствам всех направлений
из одной точки.
Как и в механике Ньютона, так и в СТО
пользуются данной идеализацией – пустым
однородным и изотропным пространством.

62. Что мы понимаем под термином «время»?

Время – способ упорядочения реальных событий
и измерения относительной длительности
процессов.
Все
физические
процессы
протекают
в
четырехмерном пространстве. Роль четвертого
измерения (в дополнение к трем пространственным
координатам x,y,z ) играет время.

63. Что изучает СТО?

СТО – специальная теория относительности,
которая
рассматривает
взаимосвязь
физических процессов, происходящих только
в инерциальных системах отсчета.
СТО в математической обработке Минковского имеет дело с
четырёхмерным миром, в котором в дополнение к трём
координатам
реального
пространства-времени
вводится
четвёртая координата – cit, где с — скорость света, i — мнимая
единица. Тем самым, реальный мир наделяется ещё одним —
не реальным или мнимым временем it — и преобразуется в
заведомо нереальный и потому парадоксальный.

64. Что изучает ОТО?

ОТО – общая теория относительности,
описывающая взаимосвязь физических
процессов, происходящих в ускоренно
движущихся друг относительно друга
(неинерциальных) системах отсчета.
ОТО является релятивистской
теорией тяготения (гравитации).
Согласно этой теории физическое
пространство не является пустым
вместилищем объектов.

65. СТО базируется на двух постулатах

Постулат – это утверждение, лежащее
в основе какой-либо теории.

66. Первый постулат теории относительности

Все законы природы одинаковы в
инерциальных системах отсчета.
Является обобщением классического
принципа относительности Галилея на все
законы природы, который означает, что закон
сложения скоростей справедлив для
описания распространения.
Означает, что все инерциальные системы
отсчета (ИСО) эквивалентны (равноправны)

67. Второй постулат теории относительности

Скорость света в вакууме одинакова во
всех инерциальных системах отсчета.
Это означает, что скорость света в вакууме
не зависит от скорости движения источника
или скорости приёмника света.
Постоянство скорости света –
фундаментальное свойство природы.
Материальные тела не могут иметь скорость
большую, чем скорость света.
Данный постулат СТО согласуется с
результатами опыта Майкельсона – Морли.

68. Опыт Майкельсона – Морли

Проведен в 1881 г. Альбертом Майкельсоном и
Эдуардом Морли.
В опыте оценивалось влияние скорости движения
Земли вокруг Солнца на скорость распространения
света от источника, находящегося на Земле.
Оказалось, что движение Земли вокруг Солнца не
влияет на скорость распространения света.
Результаты эксперимента доказали существенное
расхождение классической теории с корректно
поставленным физическим опытом.

69. Радиус черной дыры

70. Что представляет собой черная дыра?

Самое необычное астрономическое
явление;
Образуется при гравитационном сжатии
(коллапсе) массивной звезды;
Интенсивное рентгеновское излучение
звезды объясняется резким ускорением
звездного вещества, втягивающегося в
исключительно мощный
гравитационный центр.

71. Как определить радиус черной дыры?

Согласно первому постулату СТО максимальное
значение второй космической скорости v = c;
Критический радиус (радиус Шварцшильда) –
критический радиус черной дыры,
соответствующий скорости света
R =2GM/c
Радиус черной дыры массой, равной массе Солнца
(2*10 кг) равен 3 км.
max
ш
2
30
Поверхность черной дыры радиусом R
называется горизонтом событий.
ш

72. Кинематическая часть СТО

73. Следствия теории относительности

Относительность времени
(одновременность событий, порядок
следования событий, замедление
времени, «парадокс близнецов»);
Относительность расстояний.

74. Динамическая часть СТО

75. Релятивистский закон сложения скоростей

Предпосылки создания закона: 1. Опыт
Майкельсона – Морли показал, что скорость света в
вакууме постоянна и не зависит от скорости
движения источника или приёмника света; 2.
Преобразования Галилея и закон сложения
скоростей неверны при скорости движения,
соизмеримой со скоростью света; 3. Классический
закон сложения скоростей справедлив лишь в
предельном случае: для скорости движения, малой
по сравнению со скоростью света.
Релятивистский закон сложения скоростей
имеет вид: vx=(vx’+v)/(1+vx’*v/c2);
Границы применимости закона: справедлив при
любой скорости движущихся тел.

76. Закон взаимосвязи массы и энергии

Масса покоя – масса тела в системе
отсчета, относительно которой тело
покоится (чем больше масса тела, т.е. чем
более оно инертно, тем сильнее тело
сопротивляется изменению движения – m .
Согласно СТО, это сопротивление растет не
только при росте массы покоя, но и при
увеличении скорости тела: m = m /(√1-v /c ).
0
0
2
2
Согласно СТО, энергия тела
пропорциональна его массе: E=mc
2.

77. Значение СТО

СТО составляет фундамент многих современных
разделов физики, в которых описывается движения и
состояния объектов в пространстве и времени
(электродинамика, квантовая электродинамика,
ядерная физика, физика элементарных частиц).
Важным релятивистским объектом является
электромагнитное поле;
С большой точностью измерена скорость света (для
красного лазерного света получено с=299 792 462 +18 м/с
СТО определяется как физическая теория
пространства и времени в частном случае
инерциальных систем отсчета.