Контрольная работа по «Концепции Современного Естествознания»

Вопрос 1 из II раздела.

Классическая механика и её роль в познании Природы. Механическая картина мира.

На рубеже XVII в. и в его первой половине развертывалась деятельность Г. Галилея - одного из основателей современного естествознания. Кроме того, что он доказывал истинность гелиоцентрической системы Коперника, ему принадлежат доказательство вращения Земли и других планет вокруг Солнца, открытие принципа относительности движения и закона инерции, законов падения тел и их движения по наклонной плоскости, законов сложения движений и поведения математического маятника.

Итальянский ученый Галилео Галилей по праву считается основоположником механической картины мира, одним из основателей точного естествознания. Всеми своими силами он боролся против схоластики, считая единственно верной основой познания опыт.  В годы детства и юности Галилея в науке господствовали представления об окружающем мире, сохранившиеся со времён античности. И Галилей был одним из первых, кто отважился выступить против них. Механическая картина мира возникла, когда главным критерием истины был признан опыт, а для описания явлений природы стали активно применять математику. Многие, ставшие догмой, утверждения Аристотеля не выдерживали проверки опытом. Аристотель, например, утверждал, что скорость падения тел пропорциональна их весу. Галилей в присутствии многочисленных свидетелей проводил наблюдения за падением с Пизанской башни тел различной массы (например, мушкетной пули и пушечного ядра). Оказалось, что скорость падения тел не зависит от их массы. Важнейшим достижением Галилея было открытие принципа относительности. Галилей сконструировал первый в мире термоскоп, который явился прообразом термометра. Направив подзорную трубу в небо, он сделал несколько выдающихся астрономических открытий: спутники Юпитера, фазы Венеры, строение Млечного Пути, солнечные пятна, кратеры и горы на Луне.  Открытия Галилея подрывали доверие к официальным взглядам на строение мира, пропитанным религиозными догмами. 
            Эпоха средневековья плавно перетекает в Новое время (XYII-XYIII в.). Это начало промышленного освоения природы и время зарождения техногенной цивилизации. Оно характеризуется интенсивной урбанизацией, невероятно быстрой индустриализацией, зарождением классической науки и укреплением ее позиций. В промышленность внедряются машины и механизмы, заменяющие физический труд человека. Строятся первые механические и паровые двигатели. В результате череды социальных революций осуществляются глубокие преобразования в обществе, происходит демократизация политических структур, в общественном сознании закрепляется идеал - образ человека, рационального, умеренного и аккуратного, одной из важнейших целей которого является получение денег и прибыли. На этом социально - культурном фоне и происходит развитие науки, она приобретает современные черты, окончательную огранку получает научный метод исследования, набирают силу процессы дифференциации и диверсификации, закладывается структура естествознания. Удовлетворение социальных потребностей общества было связано с развитием механики, которая в начале XYIII века достигла своего апогея и превратила эпоху пара и машины в «новое время». Весь ученый физический мир занимается проблемами механики: И.Ньютон (1643-1727), Х.Гюйгенс (1629-1695), Р.Гук (1635-1703). Х.Гюйгенс, продолжая исследования Галилея, изучил колебательное движение тел и его законы. И первыми механическими часами человечество обязано тоже ему. Р.Гук изучал особенности деформации твердых тел, что имело чрезвычайно важное значение для развивающейся техники.

 Свою завершенность механика  получила в работах И.Ньютона  (1643-1727), английского ученого. Его интересы в науке разнообразны. Но основные направления исследований Ньютона - математика, механика, астрономия и оптика. В 1687 году выходит его знаменитое сочинение «Математические начала натуральной философии», в котором он определяет основные понятия механики - массу, силу, количество движения, пространство, время, развивает учение Галилея об относительности движения, открывает законы динамики и следствия из них - законы сохранения. Для изучения природы движения Ньютон разрабатывает специальный математический аппарат - дифференциальное и интегральное исчисление. Особое место в творчестве Ньютона занимает теория тяготения. Опираясь на многовековые наблюдения предшественников за движением планет Солнечной системы, на исследования Кеплера и Гюйгенса, он открывает закон всемирного тяготения. Все в механике становится на свои места. Движение тел происходит под действием сил. Порядок в движении планет определяет сила тяготения. Но откуда она взялась изначально? Кто совершил первотолчок и закрутил пружину мира? Ньютон видел ответ на эти вопросы в божественном начале мира. Работы Ньютона в механике, оптике и математике намного опередили его время, а многие из них актуальны и сейчас. На языке Ньютона говорит вся современная наука. Работы Ньютона стали фундаментом модели мира - механической картины, которая получила свою окончательную огранку к концу XVIII века благодаря работам И.Бернулли (1667-1748), Д.Бернулли (1700-1782), Л.Эйлера (1707-1783), Ж.Лагранжа (1736-1813), Ж.Д,Аламбера (1717-1783), Г.Лейбница (1646-1716) и других.

В процессе развития галилеевской механики Ньютон вводит понятие «состояние системы». Первоначально оно было использовано для простейших механических систем. (В дальнейшем понятие состояния обнаружило свою фундаментальную роль и стало применяться в других физических концепциях в качестве одного из основных.) Состояние механической системы в классической механике полностью определяется импульсами и координатами всех тел, образующих данную систему. Если известны координаты и импульсы в данный момент времени, то можно однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени, а также вычислить значения других механических величин - энергии, момента количества движения и т.д. Для утверждения своей концепции Ньютону было необходимо разрушить старую, аристотелевскую картину мира. Вместо сфер, которые управлялись перводвигателем, он ввел механизм, действующий на основе естественного закона, не требовавшего постоянного использования силы и допускавшего божественное вмешательство лишь для своего создания и приведения в движение. Это был компромисс науки и религии. С представлением, в соответствии с которым для поддержания движения нужна сила, было покончено. Место статистического представления мира заняло динамическое его представление. Уступки религии в вопросе о первотолчке были, однако, связаны не только с социальными причинами, обусловливающими компромисс науки и религии, но и с характером его понимания природы, которую он считал неэволюционирующей, инертной, косной субстанцией. Поскольку вечные законы природы дают возможность объяснять только повторяемость неизменных, неэволюционирующих тел, то первый толчок был в такой картине мира просто необходим. Ньютон, как и Аристотель, понимали физику как общую теорию природы. Но если Ньютон теорию природы строил на математических и экспериментальных началах, то Аристотель исключал их из сферы познания. Экспериментально-математический метод познания открыл перед физикой и вообще перед естествознанием колоссальные перспективы. Ньютон, заложив основы теоретического фундамента классической физики, открыл путь к ее дальнейшему развитию. Результатом развития классической механики явилось создание единой механистической картины мира. В её рамках все качественное многообразие мира объяснялось различиями в движении тел, подчиняющимся законам ньютоновской механики. Согласно механистической картине мира, если физическое явление мира можно было объяснить на основе законов механики, то такое объяснение признавалось научным. Механика Ньютона, таким образом, стала основой механистической картины мира, господствовавшей вплоть до научной революции на рубеже XIX и XX столетий.

Механика Ньютона, в отличие от прежних механических концепций, решала любую задачу, связанную с движением в любой точке пространства при известных фактах, обусловливающих это движение, а также обратную задачу определения величины и направления действия этих факторов в любой точке при известных элементах движения. Благодаря этому механика Ньютона могла использоваться в качестве метода количественного анализа механического движения. Любые физические явления могли изучаться как движение в чисто феноменологическом плане, независимо от вызывающих их факторов. Законы ньютоновской механики связывали силу не с движением, а с изменением движения. Это позволило отказаться от традиционных представлений о том, что для поддержания движения нужна сила, и отвести трению, которое делало силу необходимой в действующих механизмах для поддержания движения, второстепенную роль.

Основные идеи механической картины мира состоят в следующем: 
1. Мир дискретен и представляет совокупность взаимодействующих тел, которые состоят из мельчайших корпускул - атомов.

2. Все тела находятся в вечном  движении в пространстве, заполненном  гипотетической упругой средой - эфиром, подобной легкому газу, благодаря которой осуществляется их дальнодействие.

3. Пустое пространство есть вместилище  тел. Оно абсолютно, трехмерно, однородно  и изотропно. Время абсолютно, однородно, однонаправленно и необратимо. Пространство  и время не связаны между собой.

4. Положение тела в пространстве  в любой момент времени можно  указать с помощью системы  отсчета и координат. Специальные  преобразования позволяют перейти  от одной инерциальной системы  отсчета к другой.

5. Тела природы обладают внутренним  свойством двигаться прямолинейно  и равномерно, различаются массой  и энергией. Взаимодействие тел  носит гравитационный характер, количественно определяется законом  всемирного тяготения и распространяется  с бесконечно большой скоростью. Действие сил обусловливает особенности  движения тел.

6. Энергия, импульс и момент количества  движения тела могут принимать  непрерывный ряд значений.

7. Законы сохранения обеспечивают  вечность и неизменность мира, непрерывность и периодичность  движения.

8. Все тела природы стремятся  к устойчивому состоянию с  минимумом энергии.

9. Все явления связаны жесткими  причинно-следственными связями, которые  предопределяются законами механики.

10. Законы механики универсальны  и применимы к любым процессам.

Механическая картина мира явилась важной ступенью в познании природы. Как и всякая модель, она условна и приемлема лишь для описания движения макротел, скорости которых много меньше скорости света. На ее базе сформировалось представление о природе как сложном и точном «часовом» механизме, некогда заведенном в результате «божественного первотолчка», механизме неизменном, раз и навсегда заданном. Ее законы исключают случайность и неопределенность или рассматривают их как досадное недоразумение. Они описывают явления природы в аналитических функциях, отражающих однозначную зависимость. Этому во многом способствует математика того времени, благодаря которой физические законы предстали перед человечеством в виде строгих и совершенных математических формул. Это значило, что, все явления природы связаны между собой жесткими причинно-следственными связями.  
«Механический» подход к описанию строения и поведения объектов исследования получает статус универсального. Предпринимаются грандиозные попытки создания «социальной физики», которая бы на основе законов математики и механики смогла описать функционирование общества.

Лаплас Пьер Симон (1749-1827), французский астроном, математик, физик был автором классических трудов по теории вероятностей и небесной механике. Лапласом и Кантом была предложена гипотеза происхождения Солнечной системы из газопылевого облака, развитая современными астрономами. Механика описывает все процессы, происходящие в микромире и макромире. В механической картине мира господствует лапласовский детерминизм - учение о всеобщей закономерной связи и причинной обусловленности всех явлений в природе. Механика и оптика составляли основное содержание физики до начала XIX века. Картина мира строилась на достаточно очевидных и простых механических аналогиях. И в повседневной практической деятельности людей основные выводы классической механики не приводили к противоречиям с опытными данными.

Однако позже, с развитием средств измерения, стало известно, что при изучении многих явлений, например, небесной механики необходимо учитывать сложные эффекты, связанные с движением частиц со скоростями, близкими к световым. Появились уравнения специальной теории относительности, с трудом вмещающиеся в рамки механических представлений. Изучая свойства микрочастиц, ученые выяснили, что в явлениях микромира частицы могут обладать свойствами волны. Возникли трудности при описании электромагнитных явлений (испускание, распространение и поглощение света, электромагнитной волны), которые не могли быть разрешены классической ньютоновской механикой. 
 
             Но с развитием науки механическая картина мира не была отброшена, а лишь был вскрыт её относительный характер. Механическая картина мира используется и сейчас во многих случаях, когда, например, в рассматриваемых нами явлениях материальные объекты движутся с небольшими скоростями, и мы имеем дело с небольшими энергиями взаимодействия. Механический взгляд на мир по-прежнему остается актуальным, когда мы сооружаем здания, строим дороги и мосты, проектируем плотины и прокладываем каналы, рассчитываем крыло самолета или решаем другие многочисленные задачи, возникающие в нашей повседневной человеческой жизни.

Вопрос 3 из III раздела.

Первые представления об электричестве. Закон Ш. Кулона и М. Фарадея.

Электричество - это совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц.

Законы классической теории Электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий (электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существующих в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположных знаков, взаимодействия между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой — являются дальнодействующими в отличие от сильных взаимодействий. Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (химические силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.

Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь (от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 г.  У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар – гигантский магнит.

В 17 в. и в 1-й половине 18 в. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (английский  ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора – лейденские банки (1745) – появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-1753 гг. Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.

Во 2-й половине 18 в. началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, появились первые измерительные приборы – электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов  (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (закон Кулона) впервые позволил создать метод измерения электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.