Билеты по Курсу физики для гуманитариев СПБГУАП

'альфа'(((частицы должны были при каждом столкновении с атомом отклоняться

на очень небольшие углы, порядка 0,01О(0,1О. В результате многочисленных

столкновений с атомами при пролете сквозь фольгу 'альфа'(((частицы должны

были отклониться на углы порядка 1О(10О. Частиц, отклонившихся на большие

углы быть не могло, частиц, совсем не отклонившихся должно было быть очень

мало. Что же наблюдалось в действит-ти? На опыте оказалось, что (99((

частиц вообще не отклонились от своего направл-я, т.е. не сталкивались с

атомами, пролетая сквозь фольгу. Это значило, что ((99(( из числа

отклонившихся частиц при пролете сквозь фольгу испытали лишь однократное

столкновение с атомами. Тким обрзом, в опыте Резерфорда фактически

наблюдалось столкновение 'альфа'(((частицы с одиночным атомом. Оказалось,

что 'альфа'(((частицы, столкнувшиеся с атомом отклонялись в среднем на

гораздо большие углы, чем ожидалось. Среди рассеянных частиц были

отклонившиеся на очень большие углы, вплоть до 180О. Угол рассеяния зависит

от силы взаимдейст. 'альфа'(((частицы с атомом. Эта сила - сила Кулона

очень сильно зависит от расстояния: Fmax=kq'альфа'Qr^-2. В этой формуле k -

константа, зависящая от выбора системы единиц, q'альфа' - заряд

'альфа'(((частицы, Q - положительный заряд, имеющийся в атоме. В рамках

модели Томсона 'альфа'(((частицы должны пролетать сквозь атомы.

Максимальная сила их взаимдейст. с атомом будет на границе атома при r=a,

т.е. Fmax=kq'альфа'Qa^-2 (на меньших расстояниях взаимдействие будет

происходить не со всем зарядом Q, а лишь с его частью, уменьшающейся

быстрее, чем r2. Тким обрзом, очень больш знач. силы Кулона может быть

достигнуто лишь в том случае, когда положительный заряд атома будет

сосредоточен в очень маленьком ядре размером RЯ~10-14 м, т.е. в 10000 раз

меньше размеров атома. If в этом ядре будет сосредоточена практически вся

маса атома, то при столкновении с таким ядром 'альфа'(-((частицы будут

менять траекторию за счет кулоновских сил взаимдейст.. Из опыта Резерфорда

следовало, что атом имеет иную структуру, чем по Томсону. В атоме имеется

очень маленькое положительно заряженное ядро, вокруг кот. вращаются

электроны. Масса электронов мала по сравнению с масой ядра. Однако, эта

модель атома противоречила класич. электродинамике. В чем же сост. это

противоречие? Чтобы электроны не упали на ядро, они должны вращяться

вокруг него подобно планетам в Солнечной сист-е. Однако вращаясь, они

испытывают ускорение, и, в соответствии с законами класич. электродинамики,

должны излучать энергию в виде электромагнитных волн. Излучая энергию

электрон сам должен был ее терять и приближаться к ядру. Через очень

короткое время ~ 10-8 с электрон должен был бы упасть на ядро и атом,

соответственно, прекратить свое сущ-ние. (31) Корпускулярно - волновой

дуализм. Физиками были предприняты попытки создания теорий, кот. могли бы

объяснить эксперименты Э. Резерфорда. Наибольший след оставила Т. Н. Бора,

созданная в 1913 г. В ее основе лежат 2 постулата. Первый постулат. Из всех

возможных орбит электрона в атоме осуществляются только те, кот.

подчиняются требованиям дискретности, т.е. не непрерывному распределению

энергии, а дискретному, разрывному. Электрон, находящийся на такой орбите

не излучает, несмотря на то, что он двигается с ускорением и с тчки зрения

класич. электродинамики должен излучать электромагнитные волны. Орбиты,

двигаясь по кот , электрон не излучает , называют стационарными. Условие

для стационарных орбит Н.Бор получил исходя из постулата М.Планка о

квантованности энергий электромагнитного излучения. Согласно этому

постулату, эн-я системы (гармонического осциллятора у М.Планка и электрона

в атоме у Н.Бора) =а: En=nhw/2П=nhv (cм. Формулу 19.3 ). Этот постулат

определяет правило квантования момента кол-ва движения электрона Ln в

соответствии с формулой 19.3. Его знач. должно быть равным: Ln = mvr =

nh/2п, где m, v и r- маса, скорость и радиус орбиты электрона, h -

постоянная Планка, а n натур. число, принимающее значения 1,2,3... Первый

постулат определил важное направл. во всей квантовой физике. Он ввел

понятие квантованности параметров, описывающих движение частицы. Эти

параметры : скорость, импульс или кол-во движения, момент кол-ва движения,

радиус орбиты и, конечно, эн-я не могут принимать непрерывный набор

значений, как это имело место в класич. физике. Они могут принимать только

некоторый набор дискретных значений. 2й постулат утверждал: при переходе

электрона с 1ой стационарной орбиты на друг. излучается или поглощается

квант энергии. Энергия кванта =а разности энергий тех стационарных

состояний между

которыми произошел переход. If энергию одного состояния обозначить через

En, а другого через Em, то излучается квант с частотой Wnm, где Wnm

удовлетворяет условию: 2ПhWnm =En-Em.(w-омега,П - пи). Введенные постулаты

позволили Н.Бору получить дискретный спектр излучения атома и для водорода

вывести формулу 19.1. Слабой стороной Т. Н.Бора была ее внутренняя

противоречивость. Она не была ни последовательно класич., ни

последовательно квантовой Т.. В силу этого, она не позволяла объяснять

спектры > сложных, чем водород атомов. Она явл. только переходным шагом на

пути к созданию последовательной Т., объясняющей поведение микросистем. Т.

Бора была крупным шагом в развитии атомной и всей квантовой физики. В

первую очередь она показала неприменимость представлений класич. физики к

микросистемам, в том числе к атому и необходимость введения квантованности

параметров микросистемы. Ограничения Т. Бора показали неприемлимость

классического подхода к описанию микросистем. Требовалось выдвинуть новую,

глобальную идею, на основе кот. можно было бы получить целостную,

непротиворечивую Т. микромира. Такая идея была выдвинута только через 11

лет после создания Т. Бора. В 1924 году франц. ученый Луи де Бройль

выдвинул гипотезу о двойственности природы микромира. Он предположил, что

микрочастицы обладают одновремено свойствами частиц и волн. Это полож.,

неприемлемое с тчки зрения класич. физики, оказалось универсальным при

описании не только микро, но и макромира. Л.д.Бройль предположил что все

системы, в том числе и микрочастицы, обладают как волновыми, так и

корпускулярными свойствами. Согласно предположению, любому телу, с масой m,

движущемуся со скор-тью v , соотв. волна: lambda=h/mv (19.4) Формулу 19.4

легко получить применительно к квантам света. Энергия кванта, кот можно

приписать массу m, опр-ся с 1ой стороны как Е=mc2 , с другой стороны она

=а E=hv-hc/lambda. Приравнивая правые части этих формул и учитывая, что для

фотона скорость распространения v =а скор. света с, получаем формулу 19.4.

Движение тела в прост-ве и времени происходит также, как распростран волны

с длиной lambda. Вопрос о корпускулярно-волновом дуализме был предметом

дискуссий в течении нескольких десятков лет. Первнач. волны Л.де Бройля

предполагались как наглядно - реальные волновые процесы типа

электромагнитных волн. Позднее волны Л.де Бройля трактовались как некоторые

вероятностные волны, описывающие движение частиц. В настоящее время можно

предложить следующую трактовку корпускулярно-волнового дуализма. При

распространении частицы в прост-ве ее движение описывается волной. При

взаимодействии частицы с другими системами она проявляется как корпускула -

частица. Проще всего это проследить на примере фотонов. Электромагнитные

волны распространяются в прост-ве по законам распространения волн. Когда

электромагнитные волны взаимодействуют с телами (примером может служит

фотоэффект), то сразу же проявляются чисто корпускулярные св-ва.

Электромагнитные волны поглощаются как частицы с опред. энергией.

(32) ОТВЕТ ОТСУТСТВУЕТ! (Волновая ф-я; ур-е Шредингера).

(33) ОТВЕТ ОТСУТСТВУЕТ! (Соотношение неопределенностей Гейзенберга).

Внимание! В след-м разделе некоторые вопросы перекрываются. Для

гарантированно-хорошего ответа на экзамене след. ознакомится с всеми 3

вопрсами (? 34, ? 35, ? 36).

(34) В настоящее время конц-я самоорганизации получает все большее

распростран не только в естествознании, но и в соц-но гуманитарных разделах

наук. Большинство наук изучает процесы эволюции систем и они вынуждены

анализировать механизмы их самоорганизации. Мы под самоорганизацией будем

подразумевать явл-я, процесы , при кот. системы (механические, химические,

биологические и т.д.) переходят на все > сложные уровни, характеризуемые

своими законами, кот. не сводятся только к законам предыдущего у-ня. Такие

примеры мы расматривали в предыдущих разделах. Концепция самоорганизации в

настоящее время становится парадигмой. Обычно под парадигмой в науке

подразумевают фундаментальную Т., кот. применяется для объяснения широкого

круга явлений, относящихся к соответствующей облти ислед.. Примерами таких

теорий могут служить классическая механика Ньютона, эволюционное учение

Дарвина или квантовая физика. Сейчас знач. понятия парадигмы еще больше

расширилось, поскольку оно применяется не только к отдельным наукам, но и к

междисциплинарным направл-ям ислед..

(35) Принцип Обратной Связи. Типичным примером таких междисциплинарных

парадигм явл. возникшая полвека назад кибернетика и появившееся четверть в.

спустя синергетика. Под синергетикой в настоящее время подразумевают

область научных ислед., целью кот. явл. выявление общих законмрностей в

процессах образования , устойчивости и разрушения упорядоченных временных и

пространственных структур в сложных неравновесных сист. различной природы

(физических, химических биологических , экологических, социальных).

(36) Синергетика и Кибернетика. Определим, что лежит в основе кибернетики и

синергетики. Кибернетика в основном занималась анализом динамического

равновесия в самоорганизующихся сист.. Она опиралась на принцип

отрицательной обратной связи , сглсно кот всякое отклонение системы

корректируется управляющем устройством после получения сигнала информации

об этом. Мы с вами сталкивались с таким примером, когда расматривали знаки

в уравнениях Максвелла, связывающих магнитные и электрические поля.

Отрицательный знак в законе Фарадея и означал, что воздействие

корректируется в сторону его уменьшения. Другой пример. Сам отец

кибернетики Н.Винер рассказывал, как возникла эта наука. Она возникла,

когда стали изобретать самонаводящиеся зенитные системы. В этих сист.

встретились с такой ситуацией, когда неправильно поданный корректирующий

сигнал приводил к выходу из строя всей системы наведения. В общем речь шла

о том, что в сист-е, развивающейся по заданным законам, связь должна быть

отрицательной. Пояснение вышесказанному дается рис. 5.1. В синергетике

исследуются механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в

процесе самоорганизации, а не сохранения или поддержания старых форм. Она

опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменение,

возникшее в сист-е, не подавляется или корректируется, а наоборот,

накапливаются и приводят к разрушению старой и возникновению новой системы.

С тчки зрения приведенного Н.Винером примера процес саморазрушения

зенитного комплекса мог быть описан с синергетических позиций. В то время

этот процес считался сугубо отрицательным и его старались подавить. Для хар-

еристики самоорганизующихся процесов применяют различн. термины, начиная от

синергетических и кончая неравновесными и даже автопоэтическими или

самообновляющимися. Однако, все они выражают 1 и туже идею. В дальнейшем у

нас речь пойдет о самоорганизующихся сист., кот. явл. открытыми системами ,

находящимися вдали от тчки термодинамического равновесия. Идеи эволюции

систем (космогонические, биологические, физические) получили широкое

признание в науке. Однако,вплоть до настоящего времени, они формулировались

интуитивными понятиями. Терминологический и научный подход развивается

только в настоящее время. В раних теориях эволюций основное внимание

обращалось на воздействие окружающей среды на систему. Мы > подробно это

рассмотрим в Т. эволюции Дарвина. В дарвинской Т. Т. происхождения новых

видов растений и животных путем ественого отбора главный акцент делался на

среду, кот. выступала в кач. определяющего фактора. Разумеется, внешние усл-

я среды оказывают огромное влияние на эволюцию, но это влияние не в меньшей

степенизависит также и от самой системы, ее состояния и внут.

предрасположенности. Приведем 2 примера. У нас есть водяной пар, при его

охлаждении он переходит в новую структуру в виде кристаллов.Систем >

организованных, чем хаотически двигающиеся молекулы воды. Но, этот процес

как выясняется, может происходить только тгда, когда в самой среде есть

дополнительные центры кристаллообразования. Т. е. необходимым усл. явл.

сама среда и ее взаимосвязи. Другой пример. Лазеры. В лазерах хаотическое

спонтанное излучение превращается в строго организованное индуцированное,

следствием чего и появл. монохроматическое излучения. В этих примерах мы не

использовали точные хар-еристики упорядоченности или самоорганизованности

структуры. В след-м разделе мы введем меру упорядоченности структуры

энтропию и свяжем с ней протекание процесов. С тчки зрения парадигмы

самоорганизации стало ясным, что усл. развития не только живых, но и

динамических систем вообще явл. взаимдействие системы и окружающей среды.

Только в результате такого взаимдейст. происходит обмен веществом, энергией

и информацией между системой и ее окружением. Благодаря этому возникает и

поддерживается неравновесность, а это в свою очередь приводит к спонтанному

возникновению новых структур. Таких как кристаллы или лазерное излучение.

(34) Самоорганизация как основа эволюции. Тким обрзом , самоорганизация

возникает как источник эволюции систем, так как она служит началом процеса

возникновения качественно новых и > сложных структур в развитии системы.

Чтобы понять, почему самоорганизация выступает в основе эволюции,

необходимо сказать несколько слов о флуктуациях и хаосе. Рассмотрим такую

систему, как газ. Молекулы газа двигаются случайно, хаотично. Однако, в

опытах с броуновским движением мы видим, что случайные, хаотичные движения

молекул (микросистем) могут привести и к коллективному движению

макроскопических частиц. Флуктуации представл. собой случайные отклонения

системы на микро уровне. Но результат их действия может сказаться и на

макро уровне, причем непредсказуемым обрзом. В критич. точке эволюции ,как

правило, открывается несколько возможностей. Какой путь при этом выберет

сист., в значит. степени зависит от случайных факторов. И в целом поведение

системы нельзя предсказать с полной достоверностью. Мы с вами расматривали

этот вопр в разделе Физика возможного. Мы даже указали границы случайности

в поведении системы. В микромире выбор поведения системы определен только с

точностью до соотношения неопределенностей Гейзенберга. Фактически мы

показали, что в самой сист-е заложен хаос, неопределенность. И эта

неопределенность в критических точках поведения системы может привести к

развитию новой структуры с не предсказанными свойствами.

(37) ЕСТЕСТВЕННО - НАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ Ученые и

специалисты насчитывают > 170 определений понятия культура. Это

свидетельствует о универсальности даного явл-я человского общства.

Понятием культура обозначают и обычные явл-я, и сорта растений и

умственные кач-ва чела, и образ жизни, и систему положительных ценностей и

так далее. В таком контексте все созданное челом есть культура. Мы

используем одно из определений культуры, кот. связано с ее инструментальной

трактовкой. Культура - это сист. ср-в человской деят-ти, благодаря кот.

реализуются действия индивида, групп, человечества в их взаимодействии с

природой и между собой. Эти ср-ва создаются людьми , постоянно меняются и

совершенствуются. Принято выделять 3 типа культуры: материальную,

социальную и духовную. Материальная культура -совокупность ср-в бытия чела

и общства. Она вкл разнообразные факторы: орудия труда, технику, благсост-е

чела и общства. Социальная культура - это сист. правил поведения людей в

различн. видах общения. Она вкл этикет, профессиональную, правовую,

религиозную и т. д. разновидности деят-ти чела. Более подробно

содержательная часть 1ой и 2й культур изучается в других дисциплинах.

Духовная культура - это составная часть культурных достижений человечества.

Осн. виды духовной культуры - мораль, право, мировоззрение, идеология, иск-

во, наука и т.д. Кажд из этих видов духовной культуры сост. из относит.

самостоятельных частей. Эти части взаимосвязаны и относятся к духовной

культуре человечества. Под наукой в настоящее время понимают ту сферу

человской деят-ти, ф-я кот. - выработка и теоретич систематизация

объективн. знаний о действит-ти. Сист. наук условно делится на ественые,

общественные и технические науки. В науке принято выделять систему знаний о

природе - естествознание, кот. явл. предметом естественнонаучной культуры и

систему знаний о позитивно значимых ценностях бытия индивида, групп , гос-

ва, человечества - гуманитарные науки или гуманитарную культуру. До того,

как наука оформилась в самостоятельную часть культуры человечества, знания

о природе и ценностях общ-веной жизни входили в иные состояния духовной

культуры : практ. опыт, мудрость, народная медицина, натурфилософия и т.д.

Взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной культур закл. в след-м: * они

имеют единую основу, выраженную в потребностях и интересах чела и

человечества, в создании оптимальных усл-ий для самосохранения и

самосовершенствования; * осуществляют взаимообмен достигнутыми

результатами; * взаимно координируют в процесе развития человечества; *

явл. самостоятельными ветвями единой системы знаний науки и духовной

культуры в целом. Мы являемся свидетелями того, как социологи, юристы,

экономисты, менеджеры и друг. специалисты - гуманитарии начинают применять

в своей работе системный подход, идеи и методы кибернетики и Т. информации,

знание фундаментальных законов естествознания и в частности физики. Поясним

вышесказанное примерами из практики. Юрист разбирает дело о столкновении

судов. Конечно, ему нужно знать законы, приняты в мировой практике

судовождения. Но, с другой стороны, if он не знает, что такое маса, радиус

поворота, скорость, ускорение и т. д. , он не сможет реально применить

свои профессиональные знания. Социолог изучает общ-ное мнение путем опроса.

Но как он сможет оценить степень достоверности результатов, if не имеет

представление о Т. вероятности и Т. погрешностей. Без знания этих разделов

ественых наук, результаты его предсказаний не будут представлять

практической цености. Менеджер рекламирует изделие какого - то предприятия.

Хорошо известно, что на выставках или просмотрах первые вопросы всегда

касаются техн. сторон изделия. Конечно, полностью ответить на такие вопросы

может только специалист, имеющий хорошую фундаментальную естественнонаучную

подготовку. Однако разбираться в этих вопросах должен и менеджер.

Существует и другая сторона рассматриваемого вопроса. Наука часто

обвиняется в тех грехах, в кот. повинна не столько она сама, сколько та

сист. институтов, в рамках кот. она функционирует и развивается. В

настоящее время очевидно, что развитие науки может приводить к

отрицательным последствиям влияющем на все челоство в целом. Актуальным

становится вопр о соц. ответственности всех людей, а не только ученых за

возможность юзания из открытий и достижений. В настоящее время

сформировалась направл., называемое этикой науки, дисциплине, изучающей

нравственные основы научн. деят-ти. В кач. примера можно привести пример из

истор. 2й мировой войны. Р.Оппенгеймера называют отцом атомной бомбы. Он

являлся координатором и руководителем проекта создания атомной бомбы. Она

Страницы: 1, 2, 3, 4