ДЕ2: Физические концепции познания мира

Вариант 1

16. Как изменилось бы гравитационное ускорение Луны (g ₁/ g) в поле тяготения Земли, если бы масса Земли увеличилась в m раз, а Луна находилась бы в n раз дальше, чем сейчас, и как изменилось бы гравитационное ускорение Луны (g ₂/ g) при m = n?

17. В каких пределах меняется гравитационное ускорение (g) спутника связи “Молния-3”, выведенного на орбиту 14 апреля 1975 г и облетающего Землю на высотах от 636 км до 40660 км над земной поверхностью? Радиус Земли R _⊕ = 6371 км.

18. В каких пределах меняется гравитационное ускорение (g) научной станции “Прогноз-3”, выведенной 15 февраля 1973 г на геоцентрическую орбиту с большой полуосью a = 1,0667×10⁵ км и высотой перигея 590 км.

19. Масса Луны в 81,3 раза, а диаметр в 3,67 раза меньше массы и диаметра Земли. Во сколько раз вес космонавтов был меньше на Луне, чем на Земле?

20. Среднее геоцентрическое расстояние Луны a _лун = 3,844×10⁵ км, а средний эксцентриситет ее орбиты e _лун = 0,0549. Найдите значения средней (v _ср), перигейной (v _q) и апогейной (v _Q) скоростей Луны.

9.Физика в контексте интеллектуальной культуры (Предмет физики, включая астрофизику и космологию; физические картины мира: механическую, электомагтнитную, квантово-полевую и современную и их кооперативное взаимодействие с физическими исследовательскими программами и трансдисциплинарными стратегиями и концепциями естественнонаучного и общенаучного мышления)

Физика (от греч. physis – природа) – наука, изучающая наиболее фундаментальные закономерности и свойства материального мира и занимающая особое место в системе естественнонаучного знания, ибо именно

ее законы составляют основу современного естествознания. Физические закономерности носят универсальный характер, т.е. любая материальная система (например, химическая), обладая своей спецификой, тем не менее, основывается на законах природы, выявляемых физикой. Очевидно, что «более высокая» форма материи (биологическая) отнюдь не сводится к ее «более низким» (физическая) формам. Однако именно в процессе такого сведения (редукционизма) были достигнуты наиболее конструктивные результаты в науке: в химии – появление квантовой химии, в биологии – молекулярной генетики и т.п. Более того, выявляя фундаментальные закономерности объективной реальности, физика стала наиболее развитой сферой современного научного знания, обладая необходимыми теоретическим аппаратом и эмпирическими методами. Использование этого аппарата и методов другими науками существенно повышает их статус в динамике познавательного процесса. Закономерности материального мира (законы природы), выявляемые физикой, представляют собой систему утверждений (теории, принципы, законы, гипотезы и т.п.), дающих идеализированное представление о физических объектах. Совокупность физических законов, теорий и принципов формирует физическую картину мира, т.е. идеальную модель природы, соответствующую конкретным, исторически обусловленным этапом развития естественнонаучного познания, стилям естественнонаучного мышления. Физическая картина мира основывается на складывающихся представлениях о веществе и формах его проявлений, специфике интерпретации пространственно-временных отношений, понимании сущности движения, причинности и др. эти представления формируются в рамках складывающейся системы физического знания (эмпирические данные, научные методы и теории и т.п.).

астрофи­зика - часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в кос­мическом пространстве. Значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космоло­гии переносится на физику Вселенной, на изучение состояния вещества и физических процессов, идущих на разных, включая наиболее ранние, стадиях расширения Вселенной. Астрофизика формировалась в русле решения ключевой астрономической проблемы – проблемы строения звезд и источников их энергии. Открытие закона сохранения энергии поставило вопрос о физическом источнике энергии Солнца и звезд. Первым попытался его решить Р. Майер, предложивший гипотезу о разогреве Солнца за счет падения на него метеоритов (1848). Качественно новые возможности научного исследования сложились после открытия Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном (1859) спектрального анализа. Появилась возможность определять химический состав звезд, т.е. то, что многие мыслители считали вообще непознаваемым (например, О. Конт, 1852). В 1861 г. Кирхгоф определил химический состав солнечной (и, следовательно, звездных) атомосферы. Так была создана почва для формирования научной астрофизики и создания теории строения звезд. Во второй половине XIX в. окончательно утвердилось представление о звездах как о колоссальных газовых шарах, плотных и горячих в центре и разреженных на периферии. Для объяснения энергии звезд Кельвин и Гельмгольц выдвинули идею их гравитационного сжатия. Во время гравитационного сжатия должна выделяться значительная энергия. Однако вскоре выяснилось, что если придерживаться такой гипотезы, то нужно признать, что Солнце... моложе Земли! Длительность «жизни» звезд по этой гипотезе исчислялась всего лишь десятками миллионов лет, в то время как геологи убедительно определяли возраст Земли в несколько миллиардов лет. Едва возникнув, астрофизика зашла в тупик. Стало ясно, что нужны принципиально новые физические представления для решения ключевой астрономической проблемы – источника энергии звезд. Такие представления появились уже с созданием новых фундаментальных физических теорий – релятивистской и квантовой физики.

Космология – физическое учение о Вселенной как целом, основанное на изучении наиболее общих свойств Метагалактики (части Вселенной, охваченной астрономическими наблюдениями). Теоретический фундамент космологии составляют основные физические теории (теория тяготения, теория электромагнитного поля и др.), эмпирические сведения предоставляются ей главным образом внегалактической астрономией, а её выводы и обобщения имеют важное общенаучное и философское значение. Научный подход в космологии легко отличим от мистической и религиозной точки зрения: наука пытается объяснить Вселенную на основе тех явлений, которые можно наблюдать и измерять. Для решения космологических и космогонических проблем используют два основных подхода:

1)наблюдательны и: сравнивая характеристики небесных тел, находящихся в разных стадиях развития, можно установить, в какой последовательности эти стадии сменяли друг друга;

2) теоретический: исходя из общих законов физики, можно определить, какие именно условия должны были существовать в прошлом, чтобы небесное тело приобрело именно те характеристики, которыми оно обладает сейчас, какой путь развития оно прошло.

Механическая картина мира (МКМ). В широком смысле механика изучает механическое движение материальных тел и происходящее при этом взаимодействие между ними. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или частиц в пространстве. Примерами механического движения в природе являются движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения и т.п. Основу механической картины мира составил атомизм — теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа неделимых материальных частиц — атомов. Они перемещались в пространстве и времени в соответствии с немногими законами механики. Материя — это вещество, состоящее из мельчайших, неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц (атомов). Это и есть корпускулярное представление о материи. Законы механики, которые регулировали как движение атомов, так и движение любых материальных тел, считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Единственной формой движения является механическое движение, т.е. изменение положения тела в пространстве с течением времени. Любое движение можно представить как сумму пространственных перемещений. Движение объяснялось на основе трех законов Ньютона.(В основе классической механики лежат три закона механики Ньютона: 1) всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние;2)изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит в направлении той прямой, по которой эта сила действует: F = am, где F - действующая сила, α — ускорение, т - масса тела;3)действию всегда есть равное и противоположное противодействие, т.е. взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны. Большое значение для понимания явлений макромира имеет теория тяготения Ньютона. В основе ее представлений лежит закон, утверждающий, что две любые материальные частицы с массами т_а и т_ь притягиваются по направлению друг к другу с силой F, прямо пропорциональной произведению масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между ними:

где G - гравитационная постоянная.

Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым. Закономерности более высоких форм движения материи должны сводиться к законам простейшей ее формы — механическому движению.На основе механической картины мира в XVIII — начале XIX в. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной.Развитие механической картины мира было обусловлено в основном развитием механики.

Электромагнитная картина мира ЭМКМ Наибольший вклад в формирование электромагнитной картины мира внесли работы М. Фарадея и Дж. Максвелла. После создания Максвеллом теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.

Свою теорию Максвелл разработал на основе открытого Фарадеем явления электромагнитной индукции. Проводя эксперименты с магнитной стрелкой, стремясь объяснить природу электрических и магнитных явлений, Фарадей пришел к выводу, что вращение магнитной стрелки обусловлено не электрическими зарядами, которые находятся в проводнике, а особым состоянием окружающей среды, которое возникало в месте нахождения магнитной стрелки. Это означало, что во взаимодействии тока с магнитной стрелкой активную роль играет окружающая проводник среда. В связи с этим он ввел понятие поля как множества магнитных силовых линий, пронизывающих пространство и способных определять и направлять (индуцировать) электрический ток. Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля — сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) — движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики, известных как уравнения Максвелла. электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Согласно электромагнитной картине мира, материя существует в двух видах — вещество и поле. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности. Электромагнитное поле распространяется в виде поперечных электромагнитных волн со скоростью света, захватывая постоянно новые области пространства. Электромагнитная картина базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Современная – квантово-релятивистская (квантово-полевая) картина мира (КПКМ). Как и все предшествующие картины мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления наших знаний о сущности физических явлений. Процесс становления и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий, в частности:1)утверждение корпускулярно-волновых представлений о материи;2)изменение методологии познания и отношения к физической реальности; Пояснение: ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы, т.е. находясь как бы вне его, вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения.Все рассмотренные ранее картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий как пространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия. Рассмотрим, как они представлены в КПКМ. Пространство и время. При рассмотрении МКМ подчеркивалось, что пространство и время в ней абсолютны и независимы друг от друга. Для характеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты (x,y,z), а для обозначения времени независимо от них вводилась одна временная координата t. В СТО и ЭМКМ они потеряли абсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума Минковского). И новая величина – пространственно-временной интервал стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой. Причинность. В МКМ при описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные, которые дают кинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые дают динамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствии соотношением неопределенностей они не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга. Независимость пространства, времени и причинности в МКМ позволяет говорить о точной локализации объекта в пространстве, его траектории, об однозначной причинно-следственной связи (лапласовский детерминизм), об одновременном, точном измерении координат и скорости, энергии и времени. В квантовой механике относительность пространства-времени и причинности приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой частицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическим законам. Таким образом, причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).