Билеты по Курсу физики для гуманитариев СПБГУАП

1.В-во и маса, принцип эквивалентности. В-во-вид материи, кот. Обладаетмасой покоя. В-во слагается из элементарн. частиц.В-во всегда локализовано вограниченной части прост-ва. Его полож. можно задать с помощью огранич.числам параметров (степени свободы). Mаса хар-зует кол-во материи. Этоформулировка качественная. Правильнее говорить, что маса-одна из основныххарактеристик материи, определяющая ее инерционные и грав-ные св-ва. В Т.Ньютона маса расм-лась, как кол-во в-ва. Понятие масы ввел в механикуИ.Ньютон, давая определение импульса - p=mv. Массой он назвал коэф.пропорц-ности m, постоянную для тела величину. Эквивалентное определениемасы вытекает и из 2го з-на Ньютона: F=ma Здесь маса - это коэф.пропорц-ности между результирующей силой и вызываемым ею ускорением. Опред.таким обрзом маса хар-зует инертность тела. Опред. таким обрзом маса наз.инертной.

В Т. гравитации Ньютона маса выступает как источник поля сил тяготения. Налюб. тело, помещ. в это поле, дествует сила, пропорциональная егособственной массе, массе источника и направленая к источнику. З-н всемирноготяготения: F=G*M1*M2/r^2, где G=6,670*10^(-11)м3/(кг(с2)- грав-наяпостоянная. Из этой формулы можно получить связь между масой тела и еговесом Р в поле тяготения Земли, if считать, что m1 - маса тела, m2=M - масаЗемли, а r=Rз - радиус Земли: P=G*mM/(R3)^2=m*GM/(R3)^2=mg т.е. P=mg(7.2).Опред. таким обрзом маса наз. гравитационной. Oпыты показали, чтоинерционная и грав-ная масы при выборе одинаковой системы единиц равны. Этотфундаментальный з-н природы наз. принципом эквивалентности масс.Экспериментально этот принцип был проверен в 1971 году с очень высокойточностью-10-12. В класич. физике считалось, что маса тела не меняется ни вкаких процессах. Это утв. формулировалось в виде з-на сохранения масы.Понятие масы приобрело > глубокий смысл в рамках релятивистской механики илиТ. отнсит-ти, рассматривающей движение тел с большими скоростями.Релятивистская механика показывает, что не сущ-вует по отдельности законовсохранения масы и энергии. Они слиты воедино. Это естствено, так как материя(кол-во кот. хар-ер-ется масой) невозможна без движения (кол-во кот.хар-ер-ется энергией).

2.Научн. метод познания. Способ получить частичные ответы на вопросыпридуман несколько сотен лет назад. Наблюдение, размышление и опыт сост. такназываемый научный метод познания, кот. и позволяет давать ответы на многиеинтересующие нас вопросы. Основой научного метода явл. опыт - пробный каменьвсех наших знаний. Опыт, эксперимент - это единственный судья научн. истины.Проводя наблюдения каких-либо природных явлений, невозможно охватить всепроцесы, с этими явлениями связаные. Поэтому нужно отбросить всевторостепенные факты и выделить осн., т.е. суть явл-я. Этот процес наз.абстрагированием или построением модели явл-я. В размышлениях созд-ся основанаблюдаемого явл-я, его модель. Что явл. существенным для даного явл-я, ачто несущественным, вопр неоднозначный и сложный. Не всегда он решаетсясразу, на перв. этапах наблюдения и размышления. В создаваемой модели должныбыть учтены главные хар-еристики и осн. параметры изучаемого явл-я. Построенная модель должна не тольковерно описывать наблюдаемое это явление, но и хорошо прогнозировать егоразвитие в новых усл.. Предсказания Т. проверяются экспериментом илиопытом - важнейшей частью научного метода познания. С самого началанеобходимо договорится, что подразумеваться под тем или иным термином. Впонятие "опыт" будем вкладывать смысл наблюдения за явлением приконтролируемых усл., т.е. наблюдения с возможностью контролировать,воспроизводить и изменять желаемым обрзом внешние усл-я. Существеннавозможность создавать как обычные, так и искусственные (т.е. в природе невстречающиеся) усл-я. Физика, химия, биология и ряд других наук называютсяестественными имено потому, что в их основе лежит опыт. Для объясненияэкспериментальных фактов привлекаются гипотезы. Гипотеза - этопредположение, позволяющее объяснить и количественно описать наблюдаемоеявление. Описать что-либо количественно можно лишь на языке математики.Между явлениями природы сущ. устойчивые, повторяющиеся связи - проявлениязаконов природы. Качественная формулировка законов может быть иногда данабез привлечения математического аппарата. З-ны, записанные на языке формулпозволяют перейти к > высокой ступени познания. Эту ступень называют Т..Т.е. при определенных усл. выдвинутая гипотеза может перейти в Т., в основекот. лежат законы. Т. дает представление о закономерностях и существенныхсвязях в опред. облти. З-ны ественых наук устанавливают количественныесоотношения между наблюдаемыми явлениями, т.е. имеют математическуюформулировку. Естествознание, изучающее количественные (т.е. точные)соотношения природных явлений, отн. к точным наукам. Понятие "точное"требует комментариев. Точные науки, как правило оперируют не с абсолютноточными, а с приближенными величинами. При количественном описании любогонаблюдаемого явл-я всегда оговаривают, с какой степенью точности имеют дело,т.е. приводят погрешности измеряемых величин. Гипотезы должны быть провереныфактами, опытами, здравым смыслом. В своей облти они должны объяснять всюсовокупность имеющихся явлений. Но этого мало. Для того, чтобы стать Т.,гипотеза должна сформулировать количественные отношения между наблюдаемымиявлениями. Фактически это означает формулировку законов. Непременным усл.превращения гипотезы в Т. явл. предсказание новых, до сих пор ненаблюдавшихся и из известных теорий не следующих, явлений, и подтверждениеэтих предсказаний в специально поставленных экспериментах. Нужно различатьзаконы природы и законы науки. 1вые проявляются в особенностях протеканияприродных явлений и процесов и во взаимосвязи некот. величин. Они неизменныи всегда выполняются. Научные законы - это попытка описать законы природы наязыке мат. формул и точных формулировок. В дальнейшем речь будет идти толькоо них. Научные законы не точны и не постояны. На определенных этапахразвития науки возникает необходимость уточнения наблюдаемых в опыте явленийи пересмотра законов или границ их применимости. Постоянная проверка опытныхфактов на базе новых экспериментальных методик, позволяющих увел-ть точностьпроведения эксперимента, необходима всегда на любом уровне знаний.Расхождение экспериментальных данных и существующих законов позволяетвыдвигать новые гипотезы и строить новые Т..

3. Постулативность основных з-нов естествознания. Для описания поведенияпростых и сложных систем нужно уст-ть "правила игры", т.е. законы котподчиняются те или иные вид движения материи. В некот. науках, кот. Неотносятся к ессвеным, например геометрия, поступают следующим обрзом.Сначала формулируются аксиомы, а потом из них делаются выводы (теоремы).Логика построения ественых наук другая, нельзя сразу ввести законы исмотреть, что из них след.. Так поступить нельзя, поскольку исследователюнеизвестны все законы естествознания. Одной из задач явл. имено ихустановление и формулирование. Но, ответив на кажд. вопр, исследовательнеизбежно ставит несколько новых. Чем больше познается, тем шире становятсяграницы непознанного. Установленные на определеном этапе развития наукизаконы, всегда явл. приближенными. По мере накопл. знаний, новыхэкспериментальных фактов, явлений и увеличения точности измерений появл-сяданые, не укладывающиеся в рамки имеющихся законов и эти законыпересматриваются.Есть и другая сторона этого вопроса. Для точной формулировки законовестествознания, в особ-ти физики, требуются новые определения и понятия,знание спец. разделов математики. Исааку Ньютону (1643-1727) для описаниязаконов механики потребовалось создать совршено новые для своего времениразделы высшей математики: дифференциальное и интегральное исчисление.Физики часто сталкивались с ситуацией, когда имевшегося математическогоаппарата оказывалось недостаточно для получения количественных формулировокполученного з-на и требовалось создавать спец. математически апарат. З-ныестествознания постулируются на основании наблюдаемых опытных фактов.Сначала идет процес накопл. знаний в опред. облти. Эти результатыанализируются и делается некоторое предположение. Это предположение невыводится из других законов. Оно возникает само по себе на основании опыта.Сделанное умозаключение, сформулированное в виде математической формулы,становится частью гипотезы. If последующие опыты подтверждают правильностьэтого предположения, оно становится з-ном.З-ны и Т. не абсолютны. Они развиваются по мере накопл. знаний.Фундаментальные законы естествознания описывают огромное кол-во явлений вразных областях. И все они подчиняются некоторым общим правилам. Рассмотримих.Во перв., законы сами по себе не меняются. Имено поэтому они и называютсяфундаментальными. Иначе никакая наука не могла бы развиваться. Но, надопомнить о том, что з-н написан для опред. облти явлений.Всякий раз, когда с опред. степенью точности подтверждается какой-либо з-н,можно утверждать, что з-н окончателен и ни какой результат его неопровергнет в той облти, для кот. он написан. Однако может так случится, чтопоявление новых экспериментальных данных или теорий приведет к тому, что з-нокажется приближенным. Иначе говоря, увел. точности измерений можетобнаружить неточность даже самых незыблемых законов.При формулировке законов необходимо задавать границы их применимости. З-ны иТ. должны описывать всю совокупность явлений в той облти, для кот. Онисформулированы. Они не должны противоречить известным фактам. Более того,они обязательно должны предсказывать новые, неизвестные ранее явл-я.Наконец, никакой з-н не должен нарушать принцип причинности. Это знчит, чтонельзя что-то изменить в событии кот. уже случилось. Можно повлиять толькона будущее, но никак не на прошлое.В заключение отметим, что новые фундаментальные законы невозможно вывести врамках старых теорий. Стремление некот. авторов сделать это не имеет подсобой никакого основания и зачастую связано лишь с большим желанием авторов"пооригинальничать" и внести свой "вклад в науку".

4. Материя, формы ее существования.В основе всех естественнонаучныхдисциплин лежит понятие материи, з-ны движения и изменения кот. изучаются. Взависим. от того, как мы определим это понятие, мы и будем расм-ватьпроявление различн. теорий. Для понимания естественнонаучных теорий, вчастности концепций современ. физики, приемлемым явл. определение, данноеВ.И. Лениным в монографии <Материализм и эмпириокритицизм>. "Материя - естьфилософская категория для обозначения объективной реальности, кот.отображается нашими ощущениями, сущ-вует независимо от них. Материя - этооснова (субстанция, субстрат) всех реально существующих в мире св-в, связейи форм движения, бесконечное множество всех существующих в мире объектов исистем".В этом определении есть 2 основных момента. Во-перв., материясущ-вует объективно, независимо от нас, от чьего-то субъективного сознанияили ощущения. Во-вторых, материя копируется, отображается нашими ощущениямии, след., познаваема. Мы здесь исходим из материалистического единства мираиз первичности материи. Материя несотворима и неуничтожаемая. Онабесконечна. Неотъемлемым атрибутом материи явл. ее движение, как формасуществования материи, ее важнейший атрибут. Движение в самом общем виде -это всякое изменение вообще. Движение материи абсолютно, тгда как всякийпокой относителен. Понять эту мысль проще всего при рассмотрении простейшихвидов движения. Например, тело покоится относит. Земли, но относит. Солнцаоно движется. Формами существования материи явл. пространство и время.Материя неотъемлема от них. Современная наука оперирует такими структурнымиуровнями, как элементарные частицы и поля, атомы и молекулы,макроскопические тела, геологические системы, планеты и звезды, галактики иметагалактики; совокупности организмов, способных к воспроизводству и,наконец, общ-во. Мы будем изучать только первые структурные уровни- поля ичастицы, макроскопические тела. Различают ряд основных форм движенияматерии: механическую, физическую (включая тепловую, гравитационную, ядернуюи т.д.), химическую, биологическую, общественную. Высшие формы движениявключают в себя > низшие, но не сводятся только к ним. Так, ядерные процесыневозможно описать только формулами класич. механики. В настоящем курсебудут рассмотрены лишь простые формы движения материи - механическая,физическая и химическая. Для описания материи и ее движения необходимоввести количественные меры этих величин исходя из поставленных задач. Массаявл. количественной мерой материи и вводится как для микро- и макрообъектов,так и для полей. Одной из количественных мер движения материи явл. эн-я.Она имеет много форм: механическая, тепловая, ядерная, химическая и т.д.Поскольку материя не сущ-вует без движения, а движение без материи междуколичественными характеристиками меры и движения материи должна существоватьсвязь. Эта связь была установлена в начале нашего в. А. Эйнштейном(1879-1955) в работах по Т. отнсит-ти. Мы будем расм-вать 2 вида материи -в-во и поле. К первому отнесем элементарные частицы, атомы, молекулы, всепостроенные из них макросистемы. Ко второму отнесем особую форму материи,физическую систему с бесконечным числом степеней свободы. Примерамифизических полей могут служить электромагнитные и грав-ные поля, поляядерных сил, а также волновые поля.

5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ. ПОЛЕ. ПРИНЦИПЫ БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ И ДАЛЬНОДЕЙСТВИЯ. Первнач. в класич. механике утвердилась конц-я, что взаимдействие между телами происходит через пустое пространство, кот. не принимает участия во взаимодействии, передача взаимдейст. происходит мгновенно. По сути дела утверждалась возможность мгновеной передачи какого-либо воздействия от одного тела другому. При этом не оговаривался механизм этой передачи. Однако, даные представл. были откинуты, как не соответствующие реальным, после открытия и ислед. электрич. и магнитных полей. Понятие поля в применении к электрическому и магнитному полям было введено в 30-х гг 19-го в. М. Фарадеем. Согласно концепции близкодействия, взаимодействующие тела создают в кажд точке окружающего их прост-ва особое сост.-поле, кот. проявляется в силовом воздействии на друг. тела, в эти поля помещенные. Экспериментально было показано, что взаимдействие электрически заряженных тел осущ-ется не мгновенно. Перемещение 1ой заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на друг. заряж. частицу не в тот же момент, а спустя некоторое время. В разделяющем частицы прост-ве происходит некоторый процес, кот. распространяется с конечной, хотя и очень большой скор-тью. Был сделан вывод, что имеется посредник, осуществляющий взаимдействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая заряженная частица создает вокруг себя электромагнитное поле, действующее на друг. заряженные частицы. Скорость распространения электромагнитных волн не превышает скор. их распространения в вакууме, =ой 3(108 м/с. Тким обрзом, возникла новая конц-я - конц-я близкодействия. Согласно этой концепции, взаимдействие телами осущ-ется поср-вом тех или иных полей, непрерывно распределенных в прост-ве. Взаимодействие тел передается не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Скорость передачи взаимдейст. ограничена скор-тью света в вакууме.В современ. физике сущ-вует квантовая Т. поля. Согласно этой Т., люб. поле не непрерывно, а дискретно. Дискретность означает наличие некот. частиц поля-квантов. Каждому полю соотв-уют свои частицы.4 вида взаимодействий и полей: Гравитационные взаимдейст. обеспечивают тяготение тел друг к другу. Слабые взаимдейст. ответственны за большинство распадов и превращений элементарн. частиц. Электромагнитные взаимдейст.-это взаимдействие заряженных тел. Сильные взаимдейст. связываются протоны и нейтроны (нуклоны) в атомном ядре. Поскольку поля заданы в кажд точке прост-ва, т.е. в бесконечном числе точек, для их описания требуется не конечное, а бесконечное число параметров (степеней свободы). Сказанное не означает, что для описания поля надо реально задавать бесконечное число параметров. Достаточно уст-ть з-н, позволяющий находить поле в кажд точке прост-ва. Таковыми явл.: з-н всемирного тяготения для гравитационных полей, з-н Кулона для электрич. полей и з-н Био-Савара-Лапласа для магнитных полей.Особой формой существования материи явл. волны. Волна представляет из себя процес распространения возмущения какого-либо физ. параметра в прост-ве. волны в упругих средах, кот. локализованы в самой среде, и волны (электромагнитные, грав-ные), не ограниченные средой.

6. Сост. сист., ее изм. Во времени. Простейшая формя движения материи - механическое движение (перемещение тел в прост-ве и времени). В естествознании для описания систем вводятся модели. Простейшей моделью, на кот. удобно изучать механическое движение, явл. материальная точка, т.е. тело, имеющее массу, но не имеющее геометрических размеров. Тело можно заменить мат. точкой, if в рамках поставленной задачи можно пренебречь его размерами и формой. Раздел механики, в кот. описывается движение тела, и не вскрываются причины, его вызывающие, наз. кинематикой. Для описания движение тела, необходимо ввести систему отсч., относит. кот. задать его координаты, ввести динамические переменные, описывающие изменение положения тела во времени и ввести законы движения тела. Вообще говоря, сист. отсч. должна в себя включать систему тела, кот. мы считаем неподвижными и часы. С системой неподвижных тел необходимо связать систему коорд., например декартовых. Полож-е тчки в координатном прост-ве задается радиусом-вектором r(t). Полож-е тчки в прост-ве с течением времени меняется, и конец радиуса-вектора вычерчивает линию, кот. наз. траекторией движения. Траекторию можно разбить на бесконечно малые участки - dr. Поскольку перемещение dr, бесконечно мало, оно лежит на траектории движения. Время dt, за кот. происходит это перемещение, тоже бесконечно мало. Перемещение dr и время dt связаны друг с другом при помощи динамического параметра-мгновеной скор., определение кот.: ((t)=dr(t)/dt (9.1). Т.о, dr=(dt, след., направл. мгновеной скор. совпадает с направлением элементарного перемещения dr. По правилу сложения векторов сумма всех dr + r0 даст нам вектор r. Но, операция суммирования по бесконечно малым величинам наз. интегрированием. вычисление значения r(t), в люб. момент времени. r(t)=r0+ 'интеграл от t0 до t'(((t)dt) (9.2). ускорение, кот. тоже явл. векторной величиной и тоже может зависеть от времени и коорд.: a(t)=d((t)/dt (9.3). ==> d((t)=a(t)dt. If ф-я a(t) известна, то с ее помощью мо�