Естественнонаучная картина мира в классической науке

1.

Естественнонаучная картина мира в
классической науке.
Новые представления о теплоте.
Переходной этап к неклассической науке – опыт
Майкельсона – Морли и специальная теория
относительности.
Роль измерений в формировании парадигмы
классической науки.

2.

Славу Клаузиусу создали его работы по
теоретической термодинамике.
Наибольшую славу Клаузиусу принесла
формулировка второго начала
термодинамики: «Теплота не может сама
собою перейти от более холодного тела к
более тёплому». Он доказал, что не
существует способа передачи теплоты от
Рудольф Юлиус более холодного тела к более нагретому без
Эммануель
того, чтобы в природе не произошло какихКлаузиус
либо изменений, которые могли бы
компенсировать такой переход. В 1865 году
1822 – 1888
Клаузиус ввёл понятие энтропии
(Обычно энтропию орбозначают буквой S).

3.

Людвиг
Больцман
1844 – 1906
Научные интересы Больцмана охватывали
почти все области физики (и ряд областей
математики). Автор работ по математике,
механике, гидродинамике, теории упругости,
теории электромагнитного поля, оптике,
термодинамике и кинетической теории газов.
Однако наибольшее значение имеют работы
по
кинетической
теории
газов
и
статистическому
обоснованию
термодинамики.
Применяя
статистические
методы
к
кинетической теории идеальных газов,
Больцман вывел основное кинетическое
уравнение газов, являющееся основой
физической кинетики. Важнейшая его
заслуга — исследование необратимых
процессов и статистическая трактовка
второго начала термодинамики.

4.

Наибольшие достижения связаны с работами по
кинетической теории газов и статистическому
обоснованию термодинамики. Джеймс Клерк
Максвелл еще в 1859 установил закон
распределения молекул по скоростям, а в 1867
показал статистическую природу второго начала
термодинамики. Больцман обобщил закон
распределения скоростей молекул газов на газы,
находящиеся во внешнем силовом поле.
Применяя
статистические
методы
к
кинетической
теории
идеальных
газов,
Больцман вывел кинетическое уравнение газов.
Главнейшей заслугой Больцмана является
исследование
необратимых
процессов
и
статистическая трактовка второго начала
термодинамики. Больцман связал энтропию S с
W
термодинамической
вероятностью.

5.

S = kбlnW
Еще в 1871 году Больцман указал, что
второй закон термодинамики может
быть выведен из классической
механики только с помощью теории
вероятности. В 1877 году в "Венских
сообщениях о физике" появилась
знаменитая статья Больцмана о
соотношении между энтропией и
вероятностью термодинамического
состояния. Ученый показал, что
энтропия термодинамического
состояния пропорциональна
вероятности этого состояния и что
вероятности состояний могут быть
рассчитаны на основании отношения
между численными характеристиками
соответствующих этим состояниям
распределений молекул.

6.

Связь микро- и макро состояний
1
1
3
2
4
1
способ
3
4
2
1
1
W = 0,0625
2
1
1
4
4
способа
1
3
W = 0,25
2
1
1
W = 0,0625
3
4
1
1
способ
4
способа
2
W = 0,25
3
4
6
способов
W = 0,375
Всего – 16 способов

7.

В общем случае, число микросостояний, определяющее
макросостояние N молекул, в котором в левой части
сосуда находится n молекул, а в правой N – n (n, N-n)
можно найти по формуле:
N!
W
n! N n !
N ! 1 2 3 ... N

8.

Например, для 8 молекул, получаем:
(n, N-n)
W
(0,8)
1
(1,7)
8
(2,6)
28
(3,5)
56
(4,4)
70
(5,3)
56
(6,2)
28
(7,1)
8
(8,0)
1

9.

Джеймс Клерк
Максвелл
James Clerk Maxwell
13 июня 1831 –
5 ноября 1879
Максвелл обобщил все известные к тому времени
факты макроскопической электродинамики и создал
теорию электромагнитного поля. Дальнейшее
развитие физики показало, электромагнитное поле
является носителем электромагнитных
взаимодействий. Максвелл выразил законы
электромагнитного поля в виде системы уравнений.
Общий и исчерпывающий характер этих уравнений
проявился в том, что их анализ позволил
предсказать многие неизвестные до того явления и
закономерности. Так, из них следовало
существование электромагнитных волн,
впоследствии экспериментально открытых Г.
Герцем. Исследуя эти уравнения, Максвелл пришёл
к выводу об электромагнитной природе света (1865г.)
и показал, что скорость любых других
электромагнитных волн в вакууме равна скорости
света.
Из теории Максвелл вытекало, что
электромагнитные волны производят давление,
было экспериментально установлено в 1899 г. П. Н.
Лебедевым.

10.

Джеймс Клерк
Максвелл
1831 – 1879
Майкл
Фарадей
1791 —1867
Герц Генрих
Рудольф
1857 – 1894
Теория электромагнетизма Максвелла
получила полное опытное подтверждение
и стала общепризнанной классической
основой современной физики. Роль этой
теории ярко охарактеризовал
А. Эйнштейн: "... тут произошел великий
перелом, который навсегда связан с
именами Фарадея, Максвелла, Герца.
Львиная доля в этой революции
принадлежит Максвеллу… После
Максвелла физическая реальность
мыслилась в виде непрерывных, не
поддающихся механическому объяснению
полей... Это изменение понятия
реальности является наиболее глубоким и
плодотворным из тех, которые испытала
физика со времен Ньютона".

11.

Классический этап развития физики
Механическая картина мира (Галилей, Ньютон, Декарт,
Лаплас):
- Вселенная от атомов до человека — совокупность неделимых и
неизменных частиц, взаимосвязанных силами тяготения;
- Мгновенное действие сил в пустом пространстве;
- Основа механистической картины мира:
движение атомов и тел в абсолютном пространстве с течением
абсолютного времени.
- Свойства тел неизменны и независимы от самих тел.
- Любые события предопределены законами классической
механики, поэтому
Природа — машина, части которой подчиняются жесткой
детерминации (Механический детерминизм).
- Всё мировое пространство заполнено легчайшей упругой
средой – мировым эфиром, колебания которого и есть свет
- Дальнодействие.
- Синтез естественно-научного знания на основе редукции
(сведения) процессов и явлений к механическим.

12.

В механической картине мира:
- Зная причину, можно точно и однозначно рассчитать
следствия;
- Любое движение сводится к перемещению тел и частиц;
- Вселенная находится в стационарном состоянии, вещество
распределено во Вселенной в среднем равномерно.
- Единственная форма материи – вещество, имеющее
дискретное строение;
- Согласно Ньютону абсолютное пространство – это независимо
существующее вместилище материальных тел;
- В механической картине мира сложились представления о
пространстве как трехмерном, однородном и изотропном;
- В механической картине мира принято, что пространственные
размеры тел в покоящихся и движущихся системах отсчета
остаются одинаковыми;
- Пространство во всех направлениях обладает одинаковыми
свойствами.

13.

Электромагнитная картина мира:
- Законы мироздания — законы электродинамики;
- Понятие электромагнитного поля (Фарадей);
- Близкодействие;
- Электродинамика, статистическая физика (Максвелл)
- Материя — и как вещество и как электромагнитное поле.
В электромагнитной картине мира:
- Взаимодействия материальных тел описываются в рамках
концепции близкодействия;
- Физическое поле континуально и не может быть представлено
как совокупность дискретных частиц;
- Существуют качественно различающиеся формы движения
материи.

14.

Распространение света сквозь эфир.
(К опыту Майкельсона – Морли)

15.

Опыт Майкельсона — Морли был принципиально
направлен на то, чтобы подтвердить существование
мирового эфира посредством выявления «эфирного
ветра». Действительно , двигаясь по орбите вокруг
Солнца, Земля совершает движение относительно
гипотетического эфира полгода в одном направлении,
а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода
«эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как
следствие, смещать показания прибора в одну сторону,
полгода — в другую.

16.

Опыт Майкельсона - Морли

17.

Итак, наблюдая в течение года за своей установкой,
Майкельсон и Морли не обнаружили никаких
смещений! Итак: эфирного ветра, а, стало быть, и
эфира не существует!
Современные эксперименты подобного рода,
проведенные с максимально возможной точностью,
включая эксперименты с лазерными
интерферометрами, дали аналогичные результаты.

18.

Специальная теория относительности
Эйнштейн обобщил принцип
относительности Галилея,
сформулированный для механических
явлений, на все явления природы. Принцип
относительности Эйнштейна гласит:
«Никакими физическими
опытами(механическими, электрическими,
оптическими), произведенными в какой-либо
Альбе́рт Эйнште́йн инерциальной системе отсчета, невозможно
14 марта 1879 —
определить, движется ли эта система
равномерно и прямолинейно, или находится в
18 апреля 1955
покое».
Не только механические, но и все физические
законы одинаковы во всех инерциальных
системах отсчета.

19.

Таким образом, принцип относительности Эйнштейна
устанавливает полную равноправность всех инерциальных
систем отсчета и отвергает идею абсолютного пространства
Ньютона. Теорию, созданную Эйнштейном для описания
явлений в инерциальных системах отсчета, называют
специальной теорией относительности.
Фундаментом СТО служат два постулата, объединяющие
основные свойства движения вещества и света.
Первый постулат: равномерные прямолинейные движения
невозможно отличить от покоя. То и другое физически
равноценно.
Второй постулат: скорость света не зависит от движения
светового источника.

20.

Преобразования Галилея
К инерциальным системам отсчета относятся системы,
движущиеся равномерно и прямолинейно, а также покоящиеся
системы
Y
Y'
u
S'
0
S
Х'
Х
0
Z
Z'
u«c

21.

Преобразования
Лоренца
Y'
Y
S'
S
0
Х
0
Z'
Z
V
Х'

22.

Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной
инерциальной системы к другой неизменными остаются
время и масса
Из преобразований Лоренца следует, что при увеличении
скорости
подвижной
системы
отсчета
относительно
неподвижной:
ход времени относительно неподвижной системы замедляется
длина отрезка в направлении движения уменьшается
относительно неподвижной системы

23.

Согласно специальной теории относительности:
- пространство и время относительны и существуют как единая
четырехмерная структура;
- инвариантными относительно инерциальной системы отсчета
являются пространственно-временной интервал между
событиями и скорость света;
- масса и энергия эквивалентны;
Е = mc2
Относительный характер имеют:
- одновременность событий, масса, длина;
- невозможно разогнать тело с массой покоя отличной от нуля до
скорости света;
- передача физических взаимодействий со сверхсветовой
скоростью привела бы к нарушению причинно-следственной
связи;

24.

Следствия специальной теории относительности:
- с возрастанием скорости движения тела его масса
увеличивается;
- движущееся относительно наблюдателя тело имеет большую
массу, чем покоящееся;
- в инерциальных системах отсчета с увеличением скорости
движения темп времени замедляется;
- в движущейся относительно наблюдателя системе отсчета
часы идут медленнее, чем в неподвижной;
- с возрастанием скорости движения тела его линейный размер
уменьшается;
- движущееся относительно наблюдателя тело имеет меньший
размер, чем покоящееся.

25.

Роль измерений в формировании концепций
классической науки.

26.

«Наука начинается... с тех пор, как начинают измерять; точная
наука немыслима без меры»
Д.И. Менделеев
По мере развития науки совершенствовался и научный метод
познания. Галилей ввел в науку эксперимент, который
существенно увеличил возможности научных исследований.
Однако эксперимент требовал измерений, но в то время еще не
было ни измерительных приборов, ни согласованных единиц
измерений. Так, Галилей, например, при изучении
равноускоренного движения (скатывание шаров по наклонной
плоскости) для измерения времени использовал громоздкие
водяные часы или даже собственный пульс. Не было также
общепринятой единицы длины, массы. Ситуация осложнилась
после осознания необходимости точных электрических и
магнитных измерений. Долгое время каждый ученый выбирал
при измерениях свои единицы и эталоны.

27.

Например, Э.Х. Ленц в своей классической работе «О
законах выделения тепла электрическим током»
пишет: «Единицей измерения всех сопротивлений
является….
6,358
фута
медной
проволоки
диаметром 0,0336 англ. дюйма при температуре 15°С».
Отсутствие
общепринятых
единиц
исключало
возможность
сравнения
и
строгой
проверки
результатов независимых экспериментов, не позволяло
установить соответствие теории опыту.

28.

Измерения – основа количественного описания
объекта исследования, т.е. процесс определения
отношения одной измеряемой величины,
характеризующей изучаемый объект, к другой
однородной величине, принятой за единицу (эталону).
Эталон - Мерило, образец для подражания, сравнения.
Точная мера или точный измерительный прибор,
служащие для воспроизведения, хранения и передачи
единицы измерения какой-либо величины.

29.

Впервые идею построения системы на десятичной
основе высказал французский астроном Г. Мутон в
XVII в. 8 мая 1790 г. Учредительное собрание Франции
приняло декрет о реформе системы мер. Комиссия
академии, руководимая Лагранжем, рекомендовала
десятичное подразделение кратных и дольных единиц.
На основе этой единственной единицы - метра строилась вся система, получившая название
метрической. За единицу площади принимался
квадратный метр, за единицу объема-кубический метр,
за единицу массы-килограмм (масса кубического
дециметра чистой воды при температуре 4 °С).
Метрическая система с самого начала была задумана
как международная. 26 марта 1791 г. Учредительное
собрание Франции утвердило предложения Парижской
академии наук.

30.

7 апреля 1795 г. Конвент принял закон о введении метрической
системы во Франции и поручил комиссарам (Кулону, Деламбру,
Лагранжу и Лапласу) выполнить работы по
экспериментальному определению единиц длины и массы. В
1799 г. эта работа была закончена. Утвержденные законам
платиновые прототипы метра и килограмма были сданы на
хранение в Архив Франции и получили название архивных.
Согласно первому определению, принятому во Франции в
1791г., метр был равен 1*10-7 части четверти длины парижского
меридиана. Размер метра был определён на основе
геодезических и астрономических измерений Ж. Деламбра и П.
Мешена. Первый эталон метра был изготовлен французским
мастером Ленуаром под руководством Ж. Борда (1799 г.) в виде
концевой меры длины – платиновой линейки шириной около 25
мм, толщиной около 4 мм, с расстоянием между концами,
равным принятой единице длины. Он получил наименование
«метр архива» или «архивный метр».

31.

В 1872 г. Международная метрическая комиссия приняла
решение об отказе от "естественных" эталонов длины и о
принятии архивного метра в качестве исходной меры длины.
По нему был изготовлен 31 эталон в виде штриховой меры
длины – бруса из сплава Pt (90%) и lr (10%). Поперечное
сечение эталона имеет форму Х, придающую ему необходимую
прочность на изгиб. Вблизи концов нейтральной плоскости
эталона нанесено по 3 штриха. Прототип метра и две его
контрольные копии хранятся в Севре (Франция) в
Международном бюро мер и весов. В Научно исследовательском институте им. Д. И. Менделеева в СанктПетербурге хранятся две копии (№11 и №28) Международного
прототипа метра. При введении метрической системы мер в
СССР (1918 г.) государственным эталоном метра была признана
копия №28.

32.

Эталон метра

33.

Эталон массы
До недавнего времени (вплоть до
20 мая 1919 года) килограмм
определяялся как масса
международного эталона,
хранящегося в Международном
комитете мер и весов во Франции.
Эталон представляет собой
платино-иридиевый цилиндр,
изготовленный в 1889 году. С него
сняты копии (всего 42),
использующиеся как
национальные эталоны.

34.

Исчисление времени
До 60-х годов XX века исчисление времени
производилось по вращению Земли с использованием
астрономических измерений.
Секунда, Минута, Час, Сутки.

35.

Вопросы для подготовки к зачету.
1. В чем заключается второе начало термодинамики?
2. Кто ввел в физику понятие энтропии?
3. Какие физические процессы характеризует энтропия?
4. Как ведет себя энтропия в замкнутой системе в ходе
необратимого процесса?
5. Как микросостояния связаны с макросостояниями?
6. Почему в формуле Л. Больцмана фигурирует логарифм
статистического веса?
7. Что показал опыт Майкельсона – Морли?
8. Что утверждает принцип относительности А. Эйнштейна?
9. Чем преобразования Лоренца отличаются от преобразований
Галилея?
10.Какие следствия вытекают из принципа относительности А.
Эйнштейна?
11.Почему эталоны важны для измерений в естественных
науках?
12.Эталоны каких физических величин Вы знаете?