1

Научная революция – радикальное изменение всех элементов научного знания (методов, теорий, норм и идеалов научности и т.д.), приводящее к смене научной картины мира, т.е. научных революций в истории принято выделять три:

- аристотелевскую, 4 в. до н.э.

- ньютоновскую, 17 в.

- эйнштейновскую, начало 20-го столетия.

Эти революции разбивают историю науки на три больших периода:

- доклассический (VI в. до н.э. – XVI в. н.э.)

- классический (XVII – XIX вв.)

- неклассический (XX в.).

Аристотелевская (VI-IV века до нашей эры). В результате этой научной революции возникла сама наука, произошло отделение науки от других форм познания и освоения мира, созданы определенные нормы и образцы научного знания. Наиболее полно эта революция отражена в трудах великого древнегреческого философа Аристотеля. Он создал формальную логику, т.е. учение о доказательстве - главный инструмент выведения и систематизации знания. Он утвердил своеобразный канон организации научного исследования (история вопроса, постановка проблемы, аргументы «за» и «против», обоснование решения), дифференцировал само знание, отделив науки о природе от математики и метафизики.

Важнейшим фрагментом античной научной картины мира стало последовательное геоцентрическое учение о мировых сферах. Геоцентризм (от греч. ge - земля и латин. centrum - центр) – теория, указывающая на центральное положение Земли во Вселенной (Аристотель – Птолемея).

Ньютоновская научная революция (XVI-XVIII века). Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Гелиоцентризм (от греч. helios - солнце и латин. centrum - центр) - теория, принимающая солнце за центр, вокруг которого происходит движение планет. Этот переход был обусловлен серией открытий, связанных с именами Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта и И. Ньютон, который подвел итог их исследованиям и сформулировал базовые принципы новой научной картины мира в общем виде.

Основные изменения:

1. классическое естествознание заговорило языком математики. Именно упор на строго объективную количественную оценку изучаемых объектов и принес естествознанию славу «точных наук».

2. Наука нового времени нашла также мощную опору в методах экспериментального исследования явлений.

3. Классическое естествознание разрушило античные представления о космосе как вполне завершенном и гармоничном мире. На смену им пришла концепция - Вселенная бесконечна и объединена только действием идентичных законов.

4. Утвердилась чисто механическая картина природы.

5. Установлена истинная картина природы, которую можно лишь подправлять в деталях, но радикально переделывать уже нельзя. Итог – механистическая научная картина мира на базе экспериментально-математи>ческого естествознания.

Эйнштейновская революция (рубеж XIX-XX веков). Ее обусловила серия открытий (открытие сложной структуры атома, явление радиоактивности, дискретного характера электромагнитного излучения и т.д.). В итоге была подорвана, важнейшая предпосылка механистической картины мира – убежденность в том, что с помощью простых сил действующих между неизменными объектами можно объяснить все явления природы.

2

ервой в истории человечества формой существования естествознания была так называемая натурфилософия (от лат-natura — природа), или философия природы. Последняя характеризовалась чисто умозрительным истолкованием природного мира, рассматриваемого в его целостности. Считалось, что философии — в ее натурфилософской форме — отведена роль «науки наук», «царицы наук», ибо она является вместилищем всех человеческих знаний об окружающем мире, а естественные науки являются лишь ее составными частями.

Натурфилософское понимание природы содержало много вымышленного, фантастического, далекого от действительного понимания мира. Появление натурфилософии в интеллектуальной истории человечества и очень длительное ее существование объясняется рядом неизбежных обстоятельств.

Когда естественнонаучного знания (в его нынешнем понимании) еще практически не существовало, попытки целостного охвата, объяснения окружающей действительности были единственным и оправданным способом человеческого познания мира.

Вплоть до XIX столетия естествознание было слабо дифференцировано, отсутствовали многие его отрасли. Еще в XVIII веке в качестве сформировавшихся, самостоятельных наук существовали лишь механика, математика, астрономия и физика. Химия, биология, геология находились лишь в процессе становления. В такой ситуации натурфилософия, строя общую картину природы, стремилась заменить собой отсутствующие естественные науки.

Отрывочному знанию об объектах, явлениях природы, которое давало тогдашнее естествознание, натурфилософия противопоставляла свои умозрительные представления о мире. В этих представлениях не известные еще науке причины и действительные (но пока непознанные) связи явлений заменялись вымышленными, фантастическими причинами и связями.

Когда в XIX веке естествознание достигло достаточно высокого уровня развития и был накоплен и систематизирован большой фактический материал, т. е. когда были познаны действительные причины явлений, раскрыты их реальные связи между собой, существование натурфилософии потеряло всякое историческое оправдание. А в связи с этим понимание философии как «науки наук» также прекратило свое существование. Вместе с уходом с исторической арены старой натурфилософии сама философия, также как и различные отрасли естествознания, наконец-то обрела свой предмет. Однако тесная двусторонняя связь между философией и естествознанием сохраняется по сей день.

3

В ранней греческой философии сформировалось понятие об элементе (стихии) – некоторой первичной субстанции, которая лежит в основе всего разнообразия окружающего мира.

Понятие материи и представление о строении вещества формируется уже в самой первой философской школе Древней Греции, известной под названием Милетской (Ионийской). основоположник ионийской философии Фалес из Милета (ок. 624—547 гг. до н. э.) принял за начало всех вещей воду. По Фалесу, все вещи возникают из воды и превращаются в воду.

Последующие философы ионийцы:

Анаксимен (ок. 585—525 гг. до н. э.) считал, что началом всего является воздух, из которого образуются все вещи.

Ученик Фалеса Анаксимандр (ок.610—546 гг. дон. э.) вводит понятие «первоматерии», которую он называет «Апейрон» (в переводе «беспредельное», «неопределенное»). Подобное первовещество представляло собой неопределенную туманную массу, находившуюся в постоянном круговом вращении, из которой, в конце концов, произошло все многообразие мира.

знаменитый древнегреческий философ Гераклит (ок. 530—470 гг. до н. э.), в качестве первоматерии принял огонь. Путем сгущения и разрежения из огня возникают все вещи.

В философии ионийцев содержится не только учение о материи. Ионийцы трудились над построением общей картины мира. Анаксимандр высказал идею о множественности миров. Он полагал, что кроме нашего мира существует бесчисленное количество других миров, возникающих и погибающих.

Античное мышление с его умозрительным проникновением в строение вещества и причины его превращений принципиально не могло соединить представление об атомах с процессом образования нового химического соединения. Тот факт, что свойства соединения отличны от свойств его компонентов, требовал признания потери атомами при образовании соединения своей индивидуальности, а это вступало в противоречие с идеей о его неизменности и вечности.

4

Континуализм исходит из предположения, что материя непрерывна и делима до бесконечности; любая сколь угодно малая часть материи тождественна тому телу, делением которого она получена.

Континуализм Аристотеля

Попытка создания систематической науки о природе – физики и определить движение. Физика не может строиться на мат-ке, потому что мат-ка изучает статические связи и отношения, а природе присуще изменение, движение. Наука должна постигунть мир в его целостности, не отвлекаясь при этом от всего разнообразия его проявлений: понимание целого = ориентир при рассмотрении отдельных предметов, а рассмотрение предметов = корректировка представлений о целом. Чувственное восприятие = не всегда ложно, но при его истолковании возможны ошибки.

Теория континуума у Аристотеля как фундамент физики и мат-ки. Непрерывность предметов, движений (решение парадоксов Зенона), времени. Чем проще предмет, - тем точнее исследующая его наука.

5

Выдающимся представителем натурфилософской идеологии атомизма был Демокрит (ок. 470 или 460 гг. до н.э —ок. 370 гг. до н.э.).

Основные принципы его атомистического учения:

1.Вся Вселенная состоит из мельчайших материальных частиц — атомов и незаполненного пространства — пустоты. Пустота нужна для перемещения атомов в пространстве.

2.Атомы представляют собой мельчайшие, неизменные, непроницаемые и абсолютно неделимые частицы.

3.Атомы неуничтожимы, вечны, а потому и вся Вселенная, из них состоящая, существует вечно.

4.Атомы находятся в постоянном движении, изменяют свое положение в пространстве.

5.Атомы различаются по форме и величине. Но все они настолько малы, что недоступны для восприятия органами чувств человека. Форма их может быть весьма разнообразной. Самые малые атомы имеют, например, сферическую форму. Это, по выражению Демокрита, «атомы души и человеческой мысли».

6.Все предметы материального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка их сочетаний (подобно тому, как слова образуются из букв).

Демокрит считал, что из атомов образуются не только окружающие нас предметы, но и целые миры, которых во Вселенной бесчисленное множество. При этом одни миры еще только формируются, другие — находятся в расцвете, а третьи уже разрушаются. Новые тела и миры возникают от сложения атомов. Уничтожаются они от разложения на атомы.

свое развитие идеи атомистики получили в учении Эпикура (341— 270 гг. до н.э.). Эпикур разделял точку зрения Демокрита о том, что мир состоит из атомов и пустоты, а все существующее во Вселенной возникает в результате соединения атомов в различных комбинациях. Однако Эпикур внес в описание атомов некоторые поправки:

атомы не могут превышать некоторой величины,

число их форм ограничено,

атомы обладают тяжестью,

изменение направления их движения может быть обусловлено причинами,содержащимися внутри самих атомов.

Одним из наиболее известных натурфилософов-атомистов Древнего Рима был Тит Лукреций Кар (ок.99 или 95—55 гг. до н.э.). Его философская поэма «О природе вещей» является важным источником сведений об атомистических воззрениях Демокрита и Эпикура (поскольку из сочинений последних до нас дошли лишь немногие отрывки). Лукреций высказал мысль о вечности материи. Вещи временны, они возникают и исчезают, распадаясь на атомы — свои первичные составные части. Атомы же вечны, и их количество во Вселенной всегда остается одним и тем же. Отсюда вытекал вывод о вечности материи, которую Лукреций отождествлял с атомами.

6

Космологические воззрения античных учёных.

Одним из величайших ученых и философов античности был Аристотель. В истории науки Аристотель известен как автор космологического учения. Космология Аристотеля — геоцентрическое воззрение: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. Шаровидность Земли Аристотель выводит из наблюдений, сделанных им во время лунных затмений. К этому же выводу ведет, по мнению Аристотеля, и свойственное Земле тяготение к центру Вселенной. Аристотель разделял мир на две области, качественно отличающиеся друг от друга: область Земли и область Неба. Область Земли имеет в своей основе четыре элемента: землю, воду, воздух и огонь. Область Неба имеет в своей основе пятый элемент — эфир, из которого состоят небесные тела. за оболочкой воздуха вокруг Земли находится наиболее легкий из земных элементов — огонь, который помещается в пространстве между Землей и Луной и соприкасается с границей эфира. С крайней сферой соприкасается «Перводвигатель Вселенной», являющийся источником всякого движения. Он нематериален, ибо это есть Бог.

Геоцентристская космология Аристотеля была впоследствии математически оформлена и обоснована Клавдием Птолемеем. Главный труд Птолемея, носивший название «Математическая система» (или под арабским латинизированным названием «Альмагест»).

В этой книге была создана первая математическая теория, описывающая движение Солнца и Луны, а также пяти известных тогда планет на видимом небосводе. Птолемей рисует следующую схему мироздания: в центре Вселенной находится неподвижная Земля. Ближе к Земле находится Луна, а затем следуют Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн. Объясняя данный порядок планет, Птолемей исходил из предположения, что чем быстрее движется планета, тем ближе к Земле она расположена.

Геоцентрическая система мира Аристотеля—Птолемея просуществовала чрезвычайно долго.

Родоначальником пифагорейской школы в Древней Греции был древнегреческий ученый и философ Пифагор (580—500 гг. до н.э.). Пифагорейцы учили, что в основе всех вещей лежит число, а вся Вселенная есть гармония чисел. Пифагорейцы обожествляли числа, искали в них и их сочетаниях таинственный смысл. В их учении было много мистицизма. Однако они впервые высказали идеи:

о существовании количественных закономерностей в явлениях природы,

о том, что эти закономерности выражаются в строгих математических формулировках.

Пифагору принадлежит идея о шарообразности Земли. Он был, по-видимому, первым, кто высказал эту гипотезу. Как могла она возникнуть в те времена? Возможно, здесь сыграли роль наблюдения за горизонтом во время морских путешествий (сначала видна мачта и только потом появляется корпус корабля). Возможно, наблюдения затмения Луны. Возможно, Земля – шар, так как эта геометрическая фигура является наиболее простой и наиболее совершенной.

Пифагорейцам принадлежит также первая гипотеза о строении Вселенной, в которой предполагается движение Земли. Трудно представить причины, которые привели пифагорейцев к этой, казавшейся нелепой гипотезе.

Одним из крупнейших ученых-математиков был Евклид, живший в III веке до н.э. в Александрии. В своем 15 томном труде «Начала» он привел в систему все математические достижения того времени. «Начала» содержали не только результаты трудов самого Евклида, но и включали достижения других древнегреческих ученых. В «Началах» были заложены основы античной математики. Евклид создал метод аксиом и построил геометрию, носящую по сей день его имя.

В древнегреческой науке было много достижений в области механики. Первоклассным ученым, математиком и механиком этого периода был Архимед (287-212г.г. до н.э.). Он решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, определил значение числа . Архимед ввел понятие центра тяжести и разработал методы его определения для различных тел, дал математическую запись правила рычага. Архимед положил начало гидростатике. Широчайшую известность получил закон Архимеда.

7

Так сложилось, что в эпоху раннего средневековья (до второй половины 12 века) культурный уровень стран востока был выше, чем стран Европы. В 7 веке на обширных территориях ближнего и среднего Востока возникает централизованное арабское государство – Арабский Халифат. Все это создало благоприятные условия для развития науки и культуры. Арабский язык стал не только государственным языком, но и языком науки и культуры. Арабы знали обо всех достижениях античного мира. Уже в 9 веке в арабском мире были изданы все главные произведения научной мысли античности. В том числе и «Альмагест» Птолемея (первоначальное название «Математическая система»). Арабы усвоили культурное наследие античности и это обеспечили расцвет мусульманской культуры. Но они не только усвоили и пользовались достижениями античной культуры. Арабы значительно расширили античную систему знаний. И в частности математических знаний. Арабские математики совершенствовали методы решения уравнений второй и третьей степени. Они умели решать некоторые решения четвертой степени.

Наиболее значительное достижение арабов в алгебре – «Трактат о доказательствах задач» О. Хаяма (1048 – 1122) – теория решения кубических уравнений.

Арабские математики создали тригонометрию. У них были таблицы значений котангенса для каждого градуса.

Интенсивное денежное обращение и торговля требовали постоянного совершенствования методов взвешивания, а также наличия системы мер и весов. Создавалась теоретическая основа взвешивания — наука о равновесии. Поэтому в средние века наибольшее развитие получила статика как учение о взвешивании. Создавались также многочисленные конструкции различных видов весов.Арабские ученые широко использовали понятие удельного веса. Для определения удельного веса применялся закон Архимеда. Полученные результаты были настолько точны, что позволяли обнаружить различие удельного веса воды при разных температурах. Столь точные данные позволяли решать ряд практических задач:

отличать чистый металл и драгоценные камни от подделок,

устанавливать истинную ценность монет,

В средние века использовались орудия труда, состоящие из многих элементов (плуг, мельница, метательные орудия и т.д.). Энергетическим источником процесса труда в основном были человек и домашние животные. Необходимо было совершенствовать технику перемещения грузов. Все это способствовало развитию науки о «простых машинах». Следовательно, развивались механика и физика.

арабские ученые внесли существенный вклад в развитие астрономии. Они усовершенствовали технику астрономических измерений, значительно дополнили и уточнили данные о движении небесных тел. Движимый страстью к науке, Улугбек построил в Самарканде по тем временам самую большую в мире астрономическую обсерваторию. По результатам своих наблюдений он создал "Новые астрономические таблицы». Этот труд содержал изложение теоретических основ астрономии и каталог положений 1018 звезд.

для описания движения небесных тел астрономии нужны были строгие методы расчета. Это привело к развитию кинематики. Кинематика движения небесных тел развивалась на основе «Альмагеста» К. Птолемея.

Кроме того, в ряде работ изучалась кинематика «земных» движений. В средние века возникает представление о бесконечном прямолинейном движении как следствие образа бесконечного пространства. В кинематике средневековые ученые вводят понятия средней скорости, мгновенной скорости, равноускоренного движения. Все это постепенно готовило возникновение механики Галилея-Ньютона.

8

Гелиоцентрическая система мира — представление о том, что Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращается Земля и другие планеты. Противоположность геоцентрической системе мира. Возникло в античности, но получило широкое распространение с конца эпохи Возрождения.

В этой системе Земля предполагается обращающейся вокруг Солнца за один звёздный год и вокруг своей оси за одни звёздные сутки. Следствием второго движения является видимое вращение небесной сферы, первого — перемещение Солнца среди звёзд по эклиптике. Солнце считается неподвижным относительно звёзд.

9

Законы Кеплера — три эмпирических соотношения, интуитивно подобранных Иоганном Кеплером на основе анализа астрономических наблюдений Тихо Браге. Описывают идеализированную гелиоцентрическую орбиту планеты.

1. Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.

3. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся, как кубы больших полуосей орбит планет.

11

Закон сохранения импульса: в замкнутых системах материальных точек полный импульс сохраняется

Закон сохранения момента импульса: в замкнутой системе материальных точек суммарный момент импульса сохраняется

Закон сохранения энергии: полная энергия замкнутой системы материальных точек сохраняется

14

Преобразования Галилея — преобразование, определяющее в классич. механике переход от одной инерциальной системы отсчета к другой, движущейся относительно первой прямолинейно и равномерно. При этом система отсчета понимается как четырехмерная, позволяющая фиксировать три пространственные координаты и отсчет часов (время).

Следствия:

Если ИСО S движется относительно ИСО S' с постоянной скоростью вдоль оси , а начала координат совпадают в начальный момент времени в обеих системах, то преобразования Галилея имеют вид:

или, используя векторные обозначения,

(последняя формула остается верной для любого направления осей координат).

• Как видим, это просто формулы для сдвига начала координат, линейно зависящего от времени (подразумеваемого одинаковым для всех систем отсчета).

Из этих преобразований следуют соотношения между скоростями движения точки и её ускорениями в обеих системах отсчета:

• Преобразования Галилея являются предельным (частным) случаем преобразований Лоренца для малых скоростей (много меньше скорости света).

Скорость тела относительно неподвижной системы координат равна векторной сумме скорости тела относительно движущейся системы координат и скорости системы отсчета относительно неподвижной системы отсчета.

16

Сила, действующая на заряженную движущуюся частицу в магнитном поле, называется силой Лоренца:

18

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. В электродинамике Максвелла скорость распространения электромагнитных волн в вакууме не зависит от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя, и равна скорости света. Таким образом, уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея, что противоречило классической механике.

Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных. Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от направления (изотропность) и орбитального движения Земли вокруг Солнца. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.

19

Принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют принципом относительности Эйнштейна.

Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в СТО занимает особое положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую.

20

Преобразованиями Лоренца в физике, в частности, в специальной теории относительности (СТО), называются преобразования, которым подвергаются пространственно-временные координаты каждого события при переходе от одной инерциальной системы отсчета (ИСО) к другой.

Следствия:

1. Изменение длины:

Пусть в системе отсчета покоится стержень и координаты его начала и конца равны , . Для определения длины стержня в системе фиксируются координаты этих же точек в один и тот же момент времени системы . Пусть  — собственная длина стержня в , а  — длина стержня в . Тогда из преобразований Лоренца следует:

или

Таким образом, длина движущегося стержня, измеренная «неподвижными» наблюдателями, оказывается меньше, чем собственная длина стержня.

2. Относительность одновременности:

Если два разнесённых в пространстве события (например, вспышки света) происходят одновременно в движущейся системе отсчёта, то они будут неодновременны относительно «неподвижной» системы.

3. Замедление времени для движущихся тел

22

Термодинамика изучает свойства макроскопических систем и протекающие в них процессы, не вдаваясь в микроскопическую природу тел. Не рассматривая микроскопическое поведение отдельных частиц, термодинамика позволяет сделать ряд выводов относительно протекания процессов в макросистеме, оперируя некими интегральными понятиями - параметрами (давление, температура, объем) и функциями состояния (внутренняя энергия и энтропия).

Термодинамический метод основан на анализе условий и количественных соотношений, имеющих место в системе при различных превращениях энергии. Соотношения между разными видами энергии позволяют изучать физические свойства исследуемых систем при самых разнообразных процессах, в которых они участвуют и предсказать направления изменения состояния макросистем.

В основе термодинамики лежат несколько фундаментальных законов, называемых началами термодинамики, которые были установлены путем обобщения большого количества опытных фактов.

23

Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии): количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение работы над внешними телами.

Второе начало термодинамики:

невозможен самопроизвольный переход тепла от тела менее нагретого, к телу, более нагретому;

невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому (более строго);

невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. такой периодически действующий двигатель, который получал бы тепло от одного резервуара и превращал это тепло полностью в работу.

Третье начало термодинамики (теорема Нернста):

при стремлении абсолютной температуры к нулю энтропия (функция состояния термодинамической системы) любого тела также стремится к нулю.

24

Если система приходит в состояние равновесия, то в системе молекул всегда устанавливается некоторое распределение молекул по скоростям

Распределение молекул по скоростям

Функция распределения молекул идеального газа по скоростям f(v) показывает, какая доля (часть) от всех частиц ансамбля имеет скорости в единичном интервале вблизи скорости v

Относительное число частиц ансамбля, значения скоростей которых лежат в интервале от v до v+dv

Относительное число частиц ансамбля, значения скоростей которых лежат в интервале от v1 до v2

Число частиц, модули скоростей которых лежат в интервале значений от v1 до v2

Каждая отдельная молекула ансамбля может иметь любое значение скорости, однако при этом конкретному состоянию ансамбля частиц соответствуют вполне определенные значения скоростей

Чем выше интенсивность хаотического движения частиц ансамбля (молекул), тем больше значение наиболее вероятной скорости.

25

Упругие волны (звуковые волны) — волны, распространяющиеся в жидких, твёрдых и газообразных средах за счёт действия упругих сил.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ - это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды.

28

Эффект Доплера - изменение частоты колебаний или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником колебаний), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Д. э. имеет место при любом волновом процессе распространения энергии. Основная причина Д. э. — изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения между источником и приёмником. При сохранении длины волн, испускаемых источником, это приводит к изменению числа волн, достигающих приёмника в каждую секунду, т.е. к изменению частоты принимаемых колебаний.

Для упругих волн (звуковых, сейсмических) и в общем случае для электромагнитных волн (света, радиоволн) изменение частоты зависит от скорости и направления движения источника и наблюдателя относительно среды, в которой распространяется волна. Особый случай составляет распространение электромагнитных волн в свободном пространстве (Вакууме). В этом случае изменение частоты определяется только скоростью и направлением движения источника и наблюдателя относительно друг друга, что является следствием принципа относительности Эйнштейна.

29

Теплово́е излуче́ние — электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии. Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания.

Энергетическая светимость - физ. величина, равная отношению потока излучения, исходящего от малого элемента излучающей поверхности к площади этого элемента. Единица измерения - Вт/м2.

ИСПУСКАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ - осн. характеристика теплового излучения, испускаемого с поверхности нагретого тела, мерой к-рой является поток энергии излучения, испускаемого за единицу времени с единицы поверхности тела.

Поглощательная способность тела - это безразмерная величина, показывающая какую часть излучения в интервале длин волн от до падающих на единицу поверхности тела, в единицу времени тело поглощает.

30

Закон Кирхгофа. Этот закон формулируется следующим образом: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры

. (4)

Сами величины и могут сильно меняться при переходе от одного тела к другому, но их отношение оказывается одинаковым для всех тел. Это означает, что тело, сильнее поглощающее какие-либо лучи, будет эти лучи сильнее и испускать (не следует смешивать испускание лучей с их отражением).

Для абсолютно черного тела по определению . Следовательно, из формулы (4) вытекает, что для такого тела равна . Таким образом, универсальная функция Кирхгофа есть не что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела

.

Знак “” означает, что это относится к АЧТ.

Формула Планка.

Вид универсальной функции Кирхгофа (испускательной способности АЧТ) был теоретически установлен Планком, предположившим, что электромагнитная энергия излучается порциями. Приводим эту функцию:

, (5)

где – постоянная Планка ( ),

– постоянная Больцмана,

– скорость света в вакууме.

Это выражение носит название формулы Планка.

Закон Стефана – Больцмана.

Этот закон выражает связь между энергетической светимостью АЧТ и его абсолютной температурой

,

где – постоянная Стефана-Больцмана.

Впервые это соотношение было получено Стефаном (1879 г.) из анализа экспериментальных данных и ошибочно им приписано для любых тел. Больцман (1884 г.), исходя из термодинамических соображений, теоретически получил этот закон для АЧТ. Таким образом, энергетическая светимость АЧТ пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры.

Закон смещения Вина.

Этот закон устанавливает зависимость между длиной волны  , на которую приходится максимум испускательной способности АЧТ и температурой:

,

где .

При увеличении температуры максимум смещается в сторону коротких волн.



Закон Релея–Джинса

Успехи термодинамики, позволившие вывести законы Стефана–Больцмана и Вина теоретически, вселяли надежду, что, исходя из термодинамических соображений, удастся получить всю кривую спектрального распределения излучения черного тела r(λ, T). В 1900 году эту проблему пытался решить знаменитый английский физик Д. Релей, который в основу своих рассуждений положил теорему классической статистической механики о равномерном распределении энергии по степеням свободы в состоянии термодинамического равновесия. Эта теорема была применена Релеем к равновесному излучению в полости. Несколько позже эту идею подробно развил Джинс. Таким путем удалось получить зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны λ и температуры T:

r (λ, T) = 8πkTλ–4.

Это соотношение называют формулой Релея–Джинса. Оно согласуется с экспериментальными данными только в области достаточно длинных волн (рис. 5.1.3.). Кроме того, из нее следует абсурдный вывод о том, что интегральная светимость R (T) черного тела должна обращаться в бесконечность, а, следовательно, равновесие между нагретым телом и излучением в замкнутой полости может установиться только при абсолютном нуле температуры.

Сравнение закона распределения энергии по длинам волн r (λ, T) в излучении абсолютно черного тела с формулой Релея–Джинса при T = 1600 К

31

Законы фотоэффекта - три закона внешнего фотоэффекта:

-1- максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности;

-2- для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта;

-3- количество электронов, испускаемых веществом за 1 с пропорционально интенсивности излучения.

32

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:   . Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.           

33. Эффект Комптона.

Комптона эффект, комптон-эффект, упругое рассеяние электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн — рентгеновского и гамма-излучения. В К. э. впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства излучения.

К. э. открыт в 1922 американским физиком А. Комптоном, обнаружившим, что рассеянные в парафине рентгеновские лучи имеют большую длину волны, чем падающие. Классическая теория не могла объяснить такого сдвига длины волны. Действительно, согласно классической электродинамике, под действием периодического электрического поля электромагнитной (световой) волны электрон должен колебаться с частотой, равной частоте поля, и, следовательно, излучать вторичные (рассеянные) волны той же частоты. Таким образом, при "классическом" рассеянии (теория которого была дана английским физиком Дж. Дж. Томсоном и которое поэтому называют "томсоновским") длина световой волны не меняется.

34. Волны де Бройля.

Волны де Бройля, волны, связанные с любой движущейся микрочастицей, отражающие их квантовую природу.

Впервые квантовые свойства были обнаружены у электромагнитного поля. После исследования М. Планком законов теплового излучения тел (1900) в науку вошло представление о "световых порциях" — квантах электромагнитного поля. Эти кванты — фотоны — во многом похожи на частицы (корпускулы): они обладают определённой энергией и импульсом, взаимодействуют с веществом как целое. В то же время давно известны волновые свойства электромагнитного излучения — они проявляются, например, в явлениях дифракции и интерференции света. Таким образом, можно говорить о двойственной природе фотона, о корпускулярно-волновом дуализме

35. Уравнение Шредингера.

Предыдущие рассказы о квантовой механике почти убедили нас в том, что электрон в атоме не имеет определенного положения или хотя бы какой-нибудь орбиты, по которой он движется. Взамен этого мы пока что усвоили довольно туманную идею о том, что при движении в атоме электрон «расплывается».

Эту неопределенную идею Шредингеру удалось выразить весьма точно на однозначном языке формул. Уравнение Шредингера, как и всякий глубокий закон природы, нельзя вывести строго из более простых. Его можно только угадать. Шредингер так и сделал, и впоследствии признавался, что сам не вполне понимает, как это ему удалось. Но после того как уравнение угадано, надо еще научиться им пользоваться: надо знать, что означают все символы в уравнении и какие явления в атоме они отображают.

Уравнение Шредингера

[(d² ψ)/(dx²) + 2m/ħ²][E - U_(x)(x)]ψ = 0

мы уже приводили однажды и объясняли смысл входящих в него символов: ħ - постоянная Планка h, деленная на 2π m — масса электрона, Е — полная энергия электрона в атоме a U(х) — его потенциальная энергия, которая показывает, с какой силой притягивался бы электрон к ядру, если бы он был частицей и находился от него на расстоянии х. Но нам по-прежнему неясен смысл волновой функции пси (ψ). Чтобы ронять его, обратимся снова к аналогии с колеблющейся струной.