Четыре фундаментальные теории в физике реферат

Обновлено: 05.07.2024

Два подхода в философии и науке к раскрытию сущности пространства и времени: субстанциальный и релятивистский. И.Ньютон об абсолютном пространстве и времени (субстанциальный подход).

Понятие неинерциальной системы. Общая теория относительности – распространение принципа относительности на пространство и время в неинерциальных системах. Общая теория относительности как релятивистская теория тяготения. Равенство силы инерции и силы тяготения. Понятие гравитационного поля. Общая теория относительности об источнике и причине Всемирного тяготения. Зависимость пространства и времени от массы тел. Искривленность пространственно-временного континуума.

Философское значение теории относительности А.Эйнштейна.

Квантовая механика. Представление о макро-, микро и мегамире. Эмпирические предпосылки появления квантовой механики. Гипотеза М.Планка о кванте-действии как точечной элементарной единице энергии в тепловом излучении. Решение проблемы энергетического равновесия абсолютно черного тела. Объяснение Эйнштейном с помощью кванта-действия явления фотоэффекта. Единство корпускулярных и волновых свойств света. Понятие корпускулярно-волнового дуализма. Луи де Бройль о корпускулярно-волновой природе элементарных частиц. Корпускулярная и волновая квантовая механика. Принцип неопределенности Г. Гейзенберга в квантовой механике. Принцип дополнительности Н. Бора. Значение квантовой механики в развитии естествознания и технического прогресса.

Строение атома и элементарные частицы. Философское учение Левкиппа, Демокрита и Эпикура об атомах и пустоте. Атомистические взгляды в классическом естествознании. Планетарная модель атома Резерфорда – Бора. Концепция об элементарных частицах. Экспериментальное исследование микромира. Частица и античастица. Специфические свойства элементарных частиц. Типы взаимодействия элементарных частиц: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное. Классификация элементарных частиц. Проблемы познания микромира в современной физике. Роль физической науки в развитии человеческой цивилизации.

Тема 4. Проблемы космологии и космической эволюции

Представление древнегреческих философов о структуре мироздания. Гелиоцентрическая система Н.Коперника и концепция классического естествознания о строении Вселенной. Космология и космогония. Космологические модели Вселенной: модель Вселенной классической науки, стационарная модель А.Эйнштейна, динамическая модель расширяющейся Вселенной А.А.Фридмана. Общая теория относительности – концептуальная основа представления о строении и происхождении Вселенной в современной космологии и астрономии. Теория большого взрыва Гамова. Феномен красного смещения космического излучения и его интерпретация современной физикой. Закон Хаббла о космическом излучении. Космологические и космогонические проблемы современной науки. Темная материя, черные дыры – загадка современной космологии.

Строение Солнечной системы, структура планет. Строение Земли: ядро (внутреннее и внешнее), мантия и земная кора; тектонические процессы внутри Земли. Внешние оболочки Земли: литосфера, гидросфера, атмосфера и биосфера. Литосфера как абиотическая основа жизни; экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая, географическая.

Что такое наука? — Область знаний, которая позволяет выдавать точные предсказания.

С места в карьер! В физике есть три главные константы: скорость света (с = 3 *10 10 см/с), гравитационная постоянная (G = 6,67 * 10 -8 см 3 /гр сек) и постоянная Планка (h/2pi = 1,05 * 10 -27 эрг сек). Теории делятся по тому, как они учитывают эти константы.

1.
Исторически первой была создана классическая (Ньютоновская) механика. Она стоит на законах Ньютона и преобразованиях Галилея.

Преобразования линейны, интуитивны и просты. Машина едет со скоростью 5 [бананов в полторы минуты] относительно меня, я еду на автобусе в том же направлении относительно плакучей ивы со скоростью 2 [банана в полторы минуты], значит относительно ивы машина едет со скоростью 7 [бананов в полторы минуты].

Первый закон Ньютона об опытах в поезде премиум-класса на прямом (!) магнитном монорельсе в вагоне-термосе.

Второй: производная по времени от импульса равна силе (dp/dt = F, жирные — вектора). Именно так, не фе равно ма. Кстати, в его времена не знали что такое производная и придумал ее он (Математические начала натуральной философии). Правда, это было не строго математически и ни о каких пределах тогда не слышали (вы же помните как вводится производная в матане?), но теоретические расчеты (читай --предсказания) сходились с экспериментом.

Третий для решения статических задач и для сглаживания некоторых противоречий.

Так вот, эта теория из трех Констант не учитывает ни одной! Закон всемирного тяготения вводится ручками и является уступкой опыту.

2.
Далее (хронологически) появилась специальная теория относительности. Конечно, математический аппарат для нее уже был готов, но только молодому тогда Эйнштейну удалось обосновать перед серьезными физиками состоятельность теории, использующую его (аппарат).

Суть — все как раньше (про поезд), но есть максимальная предельная скорость, скорость света, которая, более того, для света одна и та же для любого(!) наблюдателя, стоите Вы или бежите и не важно в какую сторону. Если хотите, я честно выведу преобразования Лоренца только из этих соображений и только с помощью ловкости рук!

Вот это и называется учесть скорость света. Прям так сразу, как постулат в основании теории.

Кстати сказать, завершенная к тому моменту электродинамика уже удовлетворяла этим условиям. Я про скорость света.

В наши удивительные времена мы используем и эту теорию во всю! Ярким примером служат системы навигации. На спутниках GPS/ГЛОНАСС/… должны быть очень точно синхронизированы часы. Очень! Учитывается замедление времени при движении с большими скоростями, плюс движение с ускорением (центростремительное), плюс искривление пространства-времени при движении вблизи массивного тела.

Вот тут G и c такие, какими должны быть.

4.
Если предыдущие теории были почти целиком плодом одного человека, то квантовая механика это дитя мозгового штурма. В двадцатых годах того века интенсивная переписка оформила теорию и была проведена проверка на экспериментах.

Так мы учли постоянную Планка. Кстати, про перечеркнутую h: когда Нильс Бор приезжал к нам и читал лекции, ему задали вопрос о символе

5.
Поженить квантовую механику и специальную теорию относительности не составило особого труда. Просто вместо уравнения Шредингера, которое является местным аналогом закона сохранения энергии, записываем уравнения Дирака, суть которого — E 2 = p 2 c 2 + m 2 c 4 и дальше аналогично 4.

Вот мы учли c и h/2pi.

6.
Теории, которые стараются учесть гравитацию почему-то часто имеют приставку супер-. Суперструны, суперсимметрия и т.д. Но ничего не выходит.

Вот и нет у нас пока теории, которая учитывала бы все.

С экспериментом все еще хуже. Приведу числа: два протона на некотором расстоянии (Планковская длина, если Вы понимаете о чем я. Если нет, то не страшно, тут это не важно) взаимодействуют посредством сильного взаимодействия (простите за тавтологию) — 1, электромагнитного — 10 -2 (0,01), слабого — 10 -5 (0,00001), гравитационного — 10 -38 (написать?)

Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия физика и её законы лежат в основе всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений.

В своей основе Ф. – экспериментальная наука: её законы базируются на фактах, установленных опытным путём. Эти законы представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке. Различают экспериментальную Ф. – опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки известных физических законов, и теоретическую Ф., цель которой состоит в формулировке законов природы и в объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.

В соответствии с многообразием исследуемых объектов и форм движения физической материи Ф. подразделяется на ряд дисциплин (разделов), в той или иной мере связанных друг с другом. Деление Ф. на отдельные дисциплины не однозначно, и его можно проводить, руководствуясь различными критериями. По изучаемым объектам Ф. делится на Ф. элементарных частиц, Ф. ядра, Ф. атомов и молекул, Ф. газов и жидкостей, Ф. твёрдого тела, Ф. плазмы. Др. критерий – изучаемые процессы или формы движения материи. Различают: механическое движение, тепловые процессы, электромагнитные явления, гравитационные, сильные, слабые взаимодействия; соответственно в Ф. выделяют механику материальных точек и твёрдых тел, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику и статистическую механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля. Указанные подразделения Ф. частично перекрываются вследствие глубокой внутренней взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в которых они участвуют. По целям исследования выделяют иногда также прикладную Ф. (например, прикладная оптика).

Особо выделяют в Ф. учение о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебательных процессов различной физической природы и методов их исследования. Здесь рассматриваются механические, акустические, электрические и оптические колебания и волны с единой точки зрения.

Современная Ф. содержит небольшое число фундаментальных физических теорий, охватывающих все разделы Ф. Эти теории представляют собой квинтэссенцию знаний о характере физических процессов и явлений, приближённое, но наиболее полное отображение различных форм движения материи в природе.

Вопросу включения методологических знаний в курс физики средней школы посвящены работы известных отечественных учёных, таких, как В.Ф.Ефименко, Г.М.Голин, А.А.Бух, В.Г.Разумовский, Б.И.Спасский, В.В.Мултановский, А.А.Пинский, Н.С.Пурышева и др. Г.М.Голин [1] выделил следующую систему методологических знаний:

Научный эксперимент и методы экспериментального (эмпирического) познания.
Физическая теория и методы теоретического познания.
Стержневые методологические идеи физики.
Основные закономерности развития физики.

Одним из элементов данной системы является физическая теория и методы теоретического познания. Физическая теория – это целостная система физических знаний, в полной мере описывающая определённый круг явлений и являющаяся одним из структурных элементов физической картины мира (см. табл.1).

Таблица 1. Структура физической картины мира

Школьный курс физики структурирован вокруг четырёх фундаментальных физических теорий: классической механики, молекулярно-кинетической теории, электродинамики, квантовой теории. Теоретическое ядро школьного курса физики воплощает четыре указанные фундаментальные теории, специально адаптированные для школьного курса. “Это позволяет выделить в курсе физики генеральные направления в виде учебно-методических линий и затем формировать весь материал вокруг этих линий. Такая генерализация учебного материала позволяет обеспечивать формирование у учащихся адекватных представлений о структуре современной физики, а также реализацию теоретического способа обучения…” [2. С. 33]. Генерализация учебного материала направлена на обеспечение качественного усвоения системы знаний, являющихся научной базой общего политехнического образования, на обеспечение эффективности учебного процесса и глубокого и цельного восприятия определённой области знаний; на формирование и развитие творческого, научно-теоретического способа мышления.

Принципы и постулаты.

Истолкование основных понятий и законов.

Таблица 2. Структура физической теории

Опираясь на работы В.Ф.Ефименко [3], В.В.Мултановский [4] выделил следующие структурные элементы физической теории: основание, ядро, следствия и интерпретации (см. табл.2). В рамках школьного курса физики наиболее полно могут быть рассмотрены структура классической механики (см. табл.3) и молекулярно-кинетической теории. Полностью раскрыть структуру такой фундаментальной теории как классическая электродинамика не представляется возможным (в частности, вследствие недостаточного математического аппарата школьника). Однако в этом случае формирование знаний у учащихся о структуре физической теории можно осуществить на примере частной теории – теории Друде-Лоренца (см. табл.4).

наблюдение явлений (движение тел, свободное падение, колебание маятника…)

мат. точка, абс.тв.тело

законы Ньютона, движения абс. тв. тел, закон всемирного тяготения

Объяснение различных видов движения

Решение прямой и обратной задачи механики

Применение законов в технике (космос, самолёты, транспорт…)

Предсказание:

Границы применимости теории:

Таблица 3. Структура классической механики

1) Опыт Рикке (1901);

2)Опыт Мандельштама и Папалекси (1913);

Основные положения теории:

1) Движение электронов подчиняется законам классической механики.

2) Электроны друг с другом не взаимодействуют.

3) Электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решётки, взаимодействие это сводится к соударению.

4) В промежутках между соударениями электроны движутся свободно.

Вывод закона Ома.
ВАХ металлов.
Объяснение природы сопротивления металлов.
Вывод закона Джоуля-Ленца.

Границы применимости и недостатки теории:

Таблица 4. Структура классической электронной теории Друде-Лоренца

Структура физической теории, представленная в таблице 4, может быть использована для структурирования содержания обобщающего урока по теме “Электрический ток в металлах”, который является первым уроком при изучении темы “Электрический ток в различных средах” в 10 классе. Обобщение и систематизация знаний на уровне физической теории способствует осознанию учащимися методологических знаний, пониманию логики процесса познания. Очень важно в этом случае, чтобы процесс познания предстал перед учащимися в динамике. Именно в этом случае наиболее полно может быть отражён методологический характер знания. В соответствие с чем, развёртывание учебного материала целесообразно осуществлять согласно этапам цикла познания: опытные факты > гипотеза (модель) > теоретические следствия > эксперимент (см. табл.5). При этом опорный конспект в тетради учащихся может быть представлен в виде таблицы 4.

1) Опыт Рикке (1901);

2)Опыт Мандельштама и Папалекси (1913);

Вывод закона Ома.
ВАХ металлов.
Вывод закона Джоуля-Ленца.
Объяснение природы сопротивления металлов.

Таблица 5. Обобщение учебного материала при изучении темы “Электрический ток в металлах”

Рассмотрение границ применимости теории Друде-Лоренца оградит учеников от догматизма при изучении физики. Очень важно, чтобы изученный материал не рассматривался учащимися как завершённая схема, лишённая противоречий. Необходимо, чтобы школьники понимали, что абсолютная истина не достижима, а процесс познания – это постоянное стремление к абсолютной истине через ряд сменяющих друг друга истин относительных. Тем самым учитель подводит их к пониманию сути методологического принципа соответствия. (Впоследствии можно коснуться и содержания другого методологического принципа – принципа дополнительности, указав на то, что теория Максвелла и теория Друде-Лоренца описывают явление электропроводности с разных точек зрения и тем самым дополняют друг друга.)

В представлен подробный план-конспект урока-обобщения по теме “Электрический ток в металлах”, в – обобщённый план изучения раздела “Электрический ток в различных средах” и обобщённый план изучения физической теории, в – компьютерная презентация по теме.

Читайте также: