ИТОГ-КСЕ-ДО в PDF раздача 2015.pdf

27

Характерные особенности первого периода в истории естествознания –

натурфилософии:

•накопление общих, практических знаний о природе;

•использование наблюдения для получения фактов;

•абстрактность, использование догадок и умозрительных выводов;

•появление первых научных программ (Древняя Греция).

Первыми научными программами античности стали:

•Математическая программа (Пифагор, Платон). Мир – это упо-

рядоченный Космос, который можно познать разумом. В основе мира лежит число.

•Учение атомизма (Левкипп, Демокрит). Начало всего сущего – это неделимые частицы–атомы и пустота. Возникновение вещей есть соединение атомов, а уничтожение – распад на части, в пределе – на атомы.

•Программа Аристотеля. Мир рассматривается как целое, естественно возникшее образование, имеющее причины в себе самом. Невозможно существование пустоты в природе. Для познания природы необходимо использовать логику.

Основными чертами второго периода - средневековой науки (периода схоластики) являются:

•толкование любых проблем с точки зрения Священного писания;

•отсутствие оформленных научных понятий. Все научные достижения рассматривались с точки зрения практической пользы;

•стремление к охвату мира в целом, осознание его законченного всеединства. Мир, человек и природа сотворены Богом и поэтому родственны между собой.

Вцелом можно отметить откат средневековой науки назад, по сравнению с античной. Наука была объявлена «служанкой богословия», средством решения чисто прикладных задач. На фоне общего упадка европейской науки развивались арифметика, астрономия, необходимые для вычисления дат религиозных праздников, наблюдается расцвет философской мысли на Востоке (арабская философия).

Ситуация в средневековой науке стала меняться лишь в XII веке, когда в научном обиходе стало использоваться научное наследие Аристотеля. Оживление в средневековую науку внесла схоластика (синтез христианства и логики Аристотеля).

Основными научными достижениями эпохи средневековья можно считать следующие:

•сделаны первые шаги к механистическому объяснению мира. Введены понятия: пустоты, бесконечного пространства, прямолинейного движения.

28

•были усовершенствованы и созданы новые измерительные приборы.

•развитие астрологии, алхимии, магии - привело к формированию зачатков будущих экспериментальных естественных наук: астрономии, химии, физики, биологии.

Кконцу XV века происходит смещение интереса исследователей от Бога к человеку. В эпоху Возрождения человек был поставлен на место бога и стал собственным творцом и владыкой природы.

Новые взгляды на мир и человека позволили сделать выдающиеся научные открытия, создать новые теории и подготовить базу последующей научной революции, благодаря которой сформировалось классическое естествознание. Были сделаны открытия Н. Коперника, Д. Бруно, давшие науке гелиоцентризм

иидею бесконечности Вселенной. Пока это были еще догадки, требовавшие обоснования.

Накопление большого количества сведений о мире мореплавателями, путешественниками, астрономами, химиками и алхимиками к началу XVII века породило стремление к более детальному изучению объектов, что привело к дифференциации (разделению) существующих наук. В это же время происходит пересмотр устройства Вселенной и места в ней человека. Это приводит к противоречиям со старыми теориями и конфликту с церковью. Таким образом, естествознание вступило в третий (классический) период своего развития и

первую научную революцию (I).

Научная революция – этап развития науки, во время которого старые научные представления замещаются частично или полностью новыми, появляются новые методы, материальные средства, оценки и интерпретации, плохо или полностью несовместимые со старыми представлениями.

Для научной революции характерны такие черты:

•крушение и отбрасывание неверных идей, ранее господствовавших в науке;

•быстрое расширение знаний о природе, вступление в новые ее области, ранее недоступные для познания; создание новых инструментов и приборов;

•революция совершается в сфере теорий, понятий, принципов, законов науки, формулировки которых подвергаются коренной ломке.

На смену первой научной революции пришла вторая (II), связанная с механическими представлениями об устройстве природы. Галилей принес экспериментальный метод в науку, Ньютоном были открыты законы механического движения и закон всемирного тяготения, Кеплером были открыты законы движения планет.

29

Особенности естествознания периода первой и второй научных револю-

ций:

•рост дифференциации естественных наук;

•преобладание эмпирических знаний над теоретическими;

•основное внимание исследованию предметов природы, а не процессов;

•природа рассматривалась как неизменная во времени, то есть вне эволюции, а ее разные сферы – вне связи друг с другом.

Важно отметить, что новые механические теории, которые появились в физике в XVII веке, оказали серьезное влияние и на другие науки. Например, в химии: химические процессы рассматривались как механические перемещения частиц; в биологии живой организм рассматривался как механизм, и все его процессы можно описать с помощью законов механики.

Таким образом, механическая картина мира –это не картина мира фи-

зики, а полноценная общая картина мира.

В XVIII-XIX веках ученых захватывает идея развития (эволюции). В это время появляются эволюционные теории в геологии, биологии, астрономии. Кроме того, Максвелл и Фарадей открывают новые свойства материи – электромагнитные поля. Объяснить поведение волн с точки зрения законов механики было невозможно и это привело к созданию новых теорий и третьей науч-

ной революции (III).

К концу XIX в. появляются первые признаки процесса интеграции наук, который будет характерен для науки XX в. Это появление новых научных дисциплин на стыках наук, охватывающих междисциплинарные исследования (например, биохимия, геохимия, биогеохимия, физическая химия и др.). Внешняя причина интеграции частных дисциплин – невозможность объяснить многие явления знаниями одной науки и необходимость обращаться за помощью к смежным дисциплинам.

Открытие явления радиоактивности, волновой природы материи, глубокое изучение материи привело к созданию новых теорий (теория относительности, квантовая теория), изменивших наши представления о природе. Это период

четвертой научной революции (IV). Это глобальная научная революция дала нам естествознание, которое принято сейчас называть неклассическим.

30

ВВЕДЕНИЕ В УЕ 1.4.

Некоторые важные физические принципы и общенаучные концепции

Цель изучения

1.Познакомиться с рядом важных принципов современной физики;

2.Познакомиться с базовыми концепциями, описывающими природу.

Что Вы должны знать и уметь перед началом изучения

▪достаточно знать физику на уровне средней школы;

▪иметь представления о методологии науки.

В результате изучения Вы будете знать

▪важные физические принципы (соответствия, дополнительности, неопределенности, относительности, постоянства скорости света, эквивалентности);

▪важные физические концепции, описывающие природу (концепции: динамических и статистических теорий; прерывности (дискретности) и непрерывности материи; дальнодействия и близкодействия).

Ход изучения

1.Прочитайте теоретическую часть УЕ 1.4.

2.Рассмотрите приведенные примеры (где приведены).

3.По ходу изучения отвечайте на вопросы (самоконтроль):

а) Почему принципы соответствия и дополнительности могут применяться значительно шире, чем просто в физике?

б) Отличия в представлениях об относительности у Галилея и Эйнштейна?

в) Отметьте особенности Специальной теории относительности и Общей.

г) Перечислите следствия Специальной теории относительности. д) Приведите свои примеры динамических и статистических теорий.

е) В чем суть концепции прерывности и концепции непрерывности?

31

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ УЕ 1.4.

Основные физические принципы и общенаучные концепции

▪Динамическая теория – это теория, описывающая строго детерминированное4 поведение отдельных объектов и позволяющая устанавливать однозначную связь их состояний.

▪Принцип близкодействия – взаимодействия между телами передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

▪Принцип дальнодействия − взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, т.е. действия могут передаваться в пустом пространстве с бесконечно большой скоростью без материальных посредников

▪Принцип относительности Галилея – во всех инерциальных системах отсчета законы классической механики остаются неизменными.

▪Принцип относительности Эйнштейна – все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

▪Принцип постоянства скорости света – скорость распространения све-

та одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от направления распространения света и движения источника света к наблюдателю.

▪Принцип соответствия – любая новая общая теория, являющаяся развитием предыдущих классических теорий, справедливость которых была экспериментально установлена для определенных групп явлений, не отвергает эти классические теории, а включает их в себя.

▪Принцип эквивалентности – физически не отличаются инертная и гравитационная масса, энергия и масса, а также ускоренное движения и покой в гравитационном поле.

▪Статистическая теория – это теория, описывающая поведение большого количества объектов и в отношении отдельного объекта позволяющая делать лишь вероятностные (приблизительные) выводы о его поведении.

▪Физика (греч. фюзис – природа) – это наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.

▪Флуктуация – случайное отклонение системы от среднего (наиболее вероятного состояния).

4 Детерминированный – точно определенный, обусловленный. Например, поведение человека детерминировано генами и окружающей средой.

32

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ УЕ 1.4.

Некоторые важные физические принципы и общенаучные концепции

Важнейшую роль в естествознании всегда играли физические представления, поскольку физика (греч. фюзис – природа) – это наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Задача физики: открытие наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира (А. Эйнштейн).

Кроме того, физика играет важную роль в науке в целом, так как ее законы универсальны, т.е. выполняются и на Земле, и в космосе.

По ходу развития в науке формулировались базовые общенаучные концепции, описывающие устройство окружающего мира, также, в основном, в физике, формировались методологические и научные принципы устройства природы:

Некоторые важные физические принципы / концепции:

А. Принцип соответствия.

Б. Принцип дополнительности.

В. Принцип неопределенности Гейзенберга. Г. Принцип относительности.

Д. Принцип постоянства скорости света. Е. Принцип эквивалентности.

Ж Динамические и статистические теории.

З. Концепции прерывности (дискретности) и непрерывности материи. И. Концепции дальнодействия и близкодействия.

Основные концепции:

I. Концепция системности и самоорганизации (УЕ 2.1.-2.2.). II. Концепция универсального эволюционизма (УЕ 2.2.).

III. Концепция симметрии (УЕ 2.3.).

IV. Концепция структурности (УЕ 2.4.-2.5.).

Основные физические принципы

А. Принцип соответствия

По мере развития науки, углубления накопленных знаний новые теории становятся более точными. Новые теории охватывают все более широкие горизонты материального мира и проникают в ранее неизведанные глубины. Динамические теории сменяются статическими.

Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. Поэтому появление новой теории не означает полного отрицания старой. Так, движение тел со скоростями значительно меньшими, чем скорость света, всегда будет описываться классической механикой Ньютона. Однако при скоростях, близких к скорости света, механика Ньютона уже неприменима и необходимо использовать теорию относительности А. Эйнштейна.

33

Учитывая все это, в 1923 году Нильсом Бором был сформулирован методологический принцип соответствия: любая новая общая теория, являющаяся развитием предыдущих классических теорий, справедливость которых была экспериментально установлена для определенных групп явлений, не отвергает эти классические теории, а включает их в себя.

Б. Принцип дополнительности

Для характеристики многих физических процессов используется одновременно две величины. Например, при оценке движения тела нам нужны его координаты и скорость. Эти две величины как бы дополняет друг друга.

Сущность принципа дополнительности, разработанного в 1928 году Н. Бором: для полного понимания природы микрообъекта необходимо проведение дополняющих друг друга экспериментов.

Особенно ярко принцип дополнительности выступает в микромире. Все микрочастицы имеют двойственную корпускулярно-волновую природу, поэтому получение информации об одних физических величинах, их описывающих, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Иначе говоря, полное представление о свойствах объекта всегда требует знания таких его характеристик, которые невозможно определить одновременно.

В. Принцип неопределенности Гейзенберга

Принцип неопределенности является частным выражением принципа дополнительности. В 1927 году Гейзенберг, учитывая двойственную природу микрочастиц, пришел к выводу, что невозможно одновременно точно определить координату (местоположение) микрочастицы и её импульс. Это нельзя сделать точно так же, как нельзя достичь абсолютного нуля температур, как нельзя превысить скорость света и т.п.

Значение принципа Гейзенберга – понимание того, что при проведении исследований микрообъектов мы сами и наши приборы неизбежно оказываем неконтролируемое воздействие на измеряемый объект.

Г. Принцип относительности

В физике существует два принципа относительности: Галилея и Эйнштей-

на.

Принцип относительности Галилея: во всех инерциальных системах отсчета5 законы классической механики остаются неизменными. «В каюте корабля, движущегося равномерно и без качки, вы не обнаружите ни по окружающим вас явлениям, ни по чему-либо, что происходит с вами самими, движется ли корабль или стоит неподвижно».

Принцип относительности Галилея прекрасно «работает» при описании тел, которые движутся с малыми скоростями (много меньше скорости света).

5 Инерциальные системы отсчета – движение в них равномерное и прямолинейное (по инерции).

34

При изучении же электромагнитных явлений были показаны противоречия данному принципу. Возникшую проблему в 1905 году разрешил Альберт Эйнштейн, который сформулировал принцип относительности – все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.

Разница между этими принципами в том, что Галилей сформулировал свой принцип только для механических явлений (обычное движение), а Эйнштейн распространил его на ВСЕ физические явления, не только механическое движение. В частности, и электромагнитные явления протекают во всех инерциальных системах одинаково, - а значит, скорость света в каждой из них одна и та же. Поэтому пространство у Галилей является абсолютно постоянным, а у Эйнштейна оно перестаёт быть абсолютным

Д. Принцип постоянства скорости света

Принцип говорит о том, что скорость распространения света одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от направления распространения света и движения источника света к наблюдателю. Это означало, что при больших, близких к световым, скоростях не действует принцип Галилея о сложении скоростей6.

Принципы относительности (Д) и постоянства скорости света (Е) легли в основу специальной теории относительности А. Эйнштейна (СТО)(1905

г.). В СТО впервые было показано, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это значит, что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета и, следовательно, абсолютного движения. СТО объединила пространство и время в единый четырехмерный простран- ственно–временной континуум.

В специальной теории относительности доказывается, что пространственные и временные характеристики объектов в различных системах отсчёта будут различными.

Сегодня(в(полдень(пущена(ракета(

Она(летит(куда(скорее(света(

И(долетит(до(цели(в(семь(утра(

Вчера(

(

Был(этот(мир(глубокой(тьмой(окутан(

Да(будет(свет!(И(появился(Ньютон.(

Но(сатана(недолго(ждал(реванша(

Пришел(Эйнштейн(I(и(стало(все(как(раньше.(

С.Я.$Маршак$

6 Если навстречу друг другу движутся два тела, то нужно суммировать их скорости, чтобы узнать скорость их сближения.

35

неинерциально (с ускорением) и не на плоскости. Поэтому Альберт Эйнштейн продолжил свою работу, итогом которой в году стала общая относительности (ОТО)(1916 г.), которая связала пространство, время и мате-

ключаются в том, что характер движения материальных тел определяется геометрическими свойствами пространства-времени; своим присутствием и дви-

36