Билеты по Курсу физики для гуманитариев СПБГУАП

о природе и ценностях общ-веной жизни входили в иные состояния духовной

культуры : практ. опыт, мудрость, народная медицина, натурфилософия и т.д.

Взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной культур закл. в след-м: * они

имеют единую основу, выраженную в потребностях и интересах чела и

человечества, в создании оптимальных усл-ий для самосохранения и

самосовершенствования; * осуществляют взаимообмен достигнутыми

результатами; * взаимно координируют в процесе развития человечества; *

явл. самостоятельными ветвями единой системы знаний науки и духовной

культуры в целом. Мы являемся свидетелями того, как социологи, юристы,

экономисты, менеджеры и друг. специалисты - гуманитарии начинают применять

в своей работе системный подход, идеи и методы кибернетики и Т. информации,

знание фундаментальных законов естествознания и в частности физики. Поясним

вышесказанное примерами из практики. Юрист разбирает дело о столкновении

судов. Конечно, ему нужно знать законы, приняты в мировой практике

судовождения. Но, с другой стороны, if он не знает, что такое маса, радиус

поворота, скорость, ускорение и т. д. , он не сможет реально применить

свои профессиональные знания. Социолог изучает общ-ное мнение путем опроса.

Но как он сможет оценить степень достоверности результатов, if не имеет

представление о Т. вероятности и Т. погрешностей. Без знания этих разделов

ественых наук, результаты его предсказаний не будут представлять

практической цености. Менеджер рекламирует изделие какого - то предприятия.

Хорошо известно, что на выставках или просмотрах первые вопросы всегда

касаются техн. сторон изделия. Конечно, полностью ответить на такие вопросы

может только специалист, имеющий хорошую фундаментальную естественнонаучную

подготовку. Однако разбираться в этих вопросах должен и менеджер.

Существует и другая сторона рассматриваемого вопроса. Наука часто

обвиняется в тех грехах, в кот. повинна не столько она сама, сколько та

сист. институтов, в рамках кот. она функционирует и развивается. В

настоящее время очевидно, что развитие науки может приводить к

отрицательным последствиям влияющем на все челоство в целом. Актуальным

становится вопр о соц. ответственности всех людей, а не только ученых за

возможность юзания из открытий и достижений. В настоящее время

сформировалась направл., называемое этикой науки, дисциплине, изучающей

нравственные основы научн. деят-ти. В кач. примера можно привести пример из

истор. 2й мировой войны. Р.Оппенгеймера называют отцом атомной бомбы. Он

являлся координатором и руководителем проекта создания атомной бомбы. Она

была создана и испытана сначала в Неваде, а потом и в Хиросиме и Нагасаке.

Позднее Оппенгеймер, осознавая тяжесть ответственности, ушел из проекта и

стал заниматься деятельностью, направленной на предотвращение юзания

атомных бомб. Вышесказанное утверждает нас в мысли, что представляется

весьма важным познакомится с осн. концепциями естествознания. Это

необходимо для того, чтобы: во перв., сознательно применять их в своей деят-

ти, во вторых, чтобы получить > ясное и точное представление о современ.

научн. картине мира, кот. дает естествознание. Необходимость применения

естствено научных методов и законов в практической деят-ти гуманитарных

специальностей и привело к постановке того курса, кот. мы будем изучать:

Физика для гуманитариев.

Связь между разделами естествознания. Слово естествознание представляет из

себя сочетание 2х слов: естество (природа) и знание. В настоящее время под

естествознанием подразумевается в основном точное знание о том, что в

природе, во Вселенной действительно есть или по крайней мере возможно.

Первнач. к физике Аристотель относил проблемы устр-ва, происхождения,

организации всего, что есть во Вселенной, даже жизни. Само слово физика,

греческое по происхождению, близко к русскому слову природа. Тким обрзом,

первоначально естествознание называлось физикой. В своем развитии наука

прошла 4 стадии развития. На 1ой стадии формулировались общ.

представл. о природе, окружающем мире как о чем-то целом. В этой стадии

произошло развитие натурфилософии (философии природы) ставшей вместилищем

идей и догадок, кот. к 13-15 векам стали зачатками ественых наук. В 15-17

веках последовала аналитическая стадия - мысленное расчленение и выделение

частностей, превратившая физику, астрономию, химию, биологию действительно

в науки. Позднее, ближе к нашему времени, наступила синтетическая стадия

изучения природы, характеризуемая воссозданием целостной картины мира на

основе ранее познанных частностей. Сегодня пришло время обосновать не

только принципиальную целостность всего естествознания, но пояснить, почему

имено физика, химия и биология стали осн. и самостоятельными разделами

науки о природе. Т.е. в настоящее время осущ-ется целостная интегрально -

дифференциальная стадия развития естествознания, как единой науки о

природе. Все описанные стадии изучения природы по сущ-ву представл. звенья

1ой цепи. Кажд из разделов естествознания прощел через эти стадии.

Рассмотрев в следующей части коротко ист-ю развития физики мы видим, что

она тоже прошла все описанные стадии. Отличие имеется лишь в том, что

описание этапов развития физики мы будем давать с тчки зрения развития

методов подхода к изучаемым явлениям. В физике сейчас также наступает

интеграционная стадия, характеризуемая тем, что проводятся попытки создать

единые Т., объединяющие различн. разделы. Примером тому может служить

попытка создать единую Т. поля. Рассмотрим главные разделы естествознания и

связь между ними. Мы уже говорили о движении материи. В порядке возрастания

сложности мы приводили следующие формы движения: механическую, физическую,

химическую, биологическую, общественную. Все формы движения связаны между

собой. Высшие содержат в себе низшие, составными части, но ни в коем случае

не сводятся только к ним. Например, нельзя ядерные силы свести к

механическим. Различные виды движений, существующих в природе изучают

различн. разделы естествознания: ФИЗИКА, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ, ПСИХОЛОГИЯ и

друг. разделы. В каждом из разделов естествознания имеются свои законы,

кот. не могут быть сведены к законам других разделов, однако, Т.,

описывающие сложные структуры, опираются на Т. и законы для простых

структур. При этом, как правило, по мере усложнения структур и разделов

естествознания их законы становятся менее точными, формулировки

приближаются к кач-веным. Чем ниже уровень раздела естествознания, тем

сложнее и точнее математические формулировки его законов. Наиболее сложны

для понимания законы физики - фундаменте всех ественых наук. В этом разделе

мы попытаемся показать связь физики с другими науками, очерти м круг

фундаментальных задач, возникающих в пограничных областях и на стыке наук.

Однако, мы коснемся связей физики с техникой, физики с пром-тью, физики с

общ-веной жизнью и физики с искусством. Связь с последнем прослеживается на

многих ист-ких примерах, когда выдающиеся скульпторы, архитекторы и

живописцы прошлого были одновремено и крупными учеными. Химия испытывает на

себе влияние физики, пожалуй сильнее, чем любая другая наука. На заре

своего развития она играла важную роль в становлении физики. Эти науки

взаимодействовали очень сильно, они были практически неразделимы. Т.

атомного строения в-ва получила основательное подтверждение имено в

химических опытах. Под Т. неорганической химии подвел черту Д.И.Менделеев

(1834-1907), создав свою периодическую систему химических эл-тов. Эта сист.

выявила немало удивительных связей между различными элементами. Она

предсказала сущ-ние многих тгда еще неизвестных химических эл-тов. Однако,

объяснение системы Менделеева возможно только с опорой на Т. строения

атома, т.е. на физическую Т.. В настоящее время в неорганической химии

остались 2 раздела: физическая химия и квантовая химия. Сами названия этих

разделов говорят о тесной связи с физикой. Другая ветвь химии -

органическая химия, химия веществ, связаных с жизненными процессами. Одно

время предполагали, что органические в-ва столь сложны, что их нельзя

синтезировать. Однако, развитие физики и неорганической химии изменило

ситуацию. В настоящее время научились синтезировать сложные органические

соединения, необходимые в жизненых процессах. Главной задачей органической

химии явл. анализ и синтез веществ, образующихся в биологических сист.,

живых организмах. Отсюда вытекает тесная связь химии и физики с другим

разделом естествознания, с биологией. Изучение живых организмов позволяет

увидеть множество чисто физических явлений: циркуляцию и гидродинамику

протекания крови, давление в сосудах и т.д. Биология - очень широкое поле

деят-ти для приложения физических и химических теорий. Например, как осущ-

ется зрение, что происходит в глазе. Как квант света взаимодействует с

сетчаткой. Однако, эти вопросы не осн. в биологии, не они лежат в сущности

всего живого. Фундаментальные процесы, изучаемые в биологии лежат глубже, в

понимании функционирования клеток, их биохимических циклов. В конечном

итоге, в понимании того, что есть жизнь. Понятие жизни не удается свести

только к хим или физ. процесам. Психология изучает отражение действит-ти в

процессах деят-ти чела и животных. Эта наука лежит на грани ественых и общ-

веных наук. Казалось бы, какая связь может быть у нее с физикой. Давайте

рассмотрим пару примеров. Одной из ветвью психологии явл. физиология

ощущений. Она расм. взаимосвязь между поведением чела и его ощущениями.

Почему красный цвет вызывает тревожные ощущения, а зеленый наоборот.

Недаром запрещающий цвет светофора - красный, а разрешающий - зеленый.

Ответ может дать физика. Днем max излучения солнца приходится на зеленый

цвет. День - самое безопасное время суток, и в процесе эволюции у живых

организмов выработалась положительная реакция на зеленый цвет. В сумерках

max излучения солнца сдвинут в красную область. Сумерки - самое опасное

время суток, когда хищные животные выходят на охоту. Есcно, что в процесе

эволюции выработалось отрицательная реакция на этот цвет. Другой пример из

облти криминалистики, кот. условно также можно отнести к ветви психологии,

поскольку она расм. поведения людей в сложных ситуациях, приводящих к

криминальным случаям. Когда доктор Ватсон спросил, знает ли Шерлок Холмс о

Т. Коперника и о строении солн. системы, Холмс ответил, что наверно знал,

но постарался об этом забыть. Тем не менее, доктором Ватсоном было

установлено, что Холмс обладает глубокими знаниями в облти химии и ряда

разделов физики. Действительно, сейчас ни 1 криминалист не может обойтись

без такого раздела физики, как механика, точнее ее прикладного раздела -

баллистики, а также ряда других. В заключении этого раздела упомянем еще 1

момент, выявляющий связь физики с другими разделами естествознания. Все

приборы, используемые в опытах и экспериментах созданы специалистами с

техническим (т.е. физ.) образованием. Принцип действия этих приборов

основан на физических законах. В конечном итоге, тестер для измерения

напряжения или тока , томограф, получающий пространственную картину

внутренних органов, микроанализатор, определяющий уровень загрязненности

окружающей среды или потребляемой пищи, требуют от работающих определенных

знаний. С 1ой стороны - это знание основных принципов работы прибора, с

другой стороны - умение оценивать степень точности параметров, кот.

измеряет данный прибор.

10. Детерминизм класич. механики. Под детерминизмом понимается философское

учение об объективной закономерности, взаимосвязи и причинной

обусловленности всех явлений мат. и духовного мира. Центральным ядром

детерминизма явл. полож. о причинности. Идея детерминизма сост. в том, что

все явл-я и события в мире не произвольны, а подчиняются объективным

закономерностям, независимо от наших знаний о природе явлений. Всякое

следствие имеет свою причину. детерминизм Лапласа(1749 - 1827). Согласно

классическому механистическому детерминизму сущ-вует строго однозначная

связь между физическими величинами, хар-еризующ. сост. системы в какой-то

момент времени (координаты и импульсы) и значениями этих величин в люб.

последующий или предыдущий моменты времени. Принцип механического

детерминизма. If известны начальные координаты и скор. тел системы, а также

законы взаимдейст. тел, то можно определить сост. системы в люб.

последующий момент времени. Отметим, что для успешного практического

решения подобных задач законы взаимдейст. тел нужно знать очень точно, либо

нужно смириться с тем, что расчет будет адекватно описывать поведение

системы лишь в ограниченном временном интервале. Связано это с тем, что

неточности расчета имеют свойство накапливаться и искажать получающуюся

картину, - чем дальше, тем больше. Кроме того нужно иметь ввиду, что для

решения задачи о движении большого кол-ва взаимодействующих тел нужно

задать очень больш кол-во начальных данных, законов взаимдейст. и решать

очень громоздкую систему дифференциальных уравнений. С позиций сегодняшних

знаний о природе можно утверждать, что механистический детерминизм Лапласа

не работает в микромере, где процесы взаимдейст. частиц по своей природе

явл. вероятностными. При столкновении 2х атомов 1 из них может возбудиться

(перейти в возбужденное сост.), а может и остаться в основном,

невозбужденном сост.. В последнем случае атомы будут сталкиваться как

идеально упругие шары, в первом случае как неупругие шары. Результаты

столкновения в этих случаях будут сильно различаться, а решить, как будет

происходить взаимдействие, до того как оно произойдет, в принципе

невозможно. В микромире могут одновремено протекать процесы, кот. абсолютно

несовместимы в макромире. Когда описывается квантовая микросистема,

предсказывается ее поведение в рамках вероятностного описания, но не дается

однозначного ответа, как конкретно она будет себя вести. При этом всегда

остаются в силе причинно-следственные связи.

11. РАБОТА, кинетическая эн-я.Энергия- наиболее общая количественная мера

движения и взаимдейст. материи. Для изолированной системы эн-я остается

пост., она может переходить из 1ой формы в друг., но ее кол-во остается

неизменным. If сист. не изолирована, то эн-я может изменятся при

одновременном изменении энергии окружающих тел на такую же величину или за

счет энергии взаимдейст. тел внутри системы. При переходе системы из одного

состояния в другое ее эн-я не зависит от того, каким путем произошел этот

переход. Энергия системы в общем случае может переходить в друг. формы

материи. Поскольку сущ-вует многообразие форм движения материи, сущ-вует и

многообразие видов энергий: кинетическую, потенциальную и полн механическую

энергию. Работа силы- мера действия силы, кот. зависит от численной

величины силы и ее направл-я, от перемещения тчки приложения силы. If сила

F постояна по величине и направл., а перемещение происходит вдоль прямой,

то работа =а произведению силы на величину перемещения и косинус угла между

направлением силы и перемещением. работа - величина скалярная. Единицей

измерения Джоуль (Дж). В общем случае для вычисления работы под действием

переменной силы на криволинейном участке траектории вводят элементарную

работу dA. Считаем, что на бесконечно малом участке пути dr сила не

меняется и элементарная работа dA опр-ся как:

dA=F*dr*cos'альфа'=(F'вектор'dr'вектор') (11.2). Работа - величина

аддитивная; работа силы на конечном участке пути (1)R(2) опр-ся как сумма

элементарн. работ. Суммирование по бесконечно малым величинам dА есть

операция интегрирования: A12='интеграл от 1 до 2'(F(вектор)dr(вектор))

(11.3), где интегрирование ведется вдоль траектории. В векторном анализе

такой интеграл наз. циркуляцией вектора силы. Заметим, что в этом выражении

легко перейти к другой переменной интегрирования, ко времени. A12='интеграл

от 1 до 2'(F(вектор)dr(вектор)) = 'интеграл от t1 до

t2'((F(вектор)V(вектор))dt)= 'интеграл от t1 до t2'(Ndt) (11.4). Введенная

здесь величина N наз. мгновеной механической мощностью или просто мощностью

тела. N=dA/dt=(F(вектор)dr(вектор)/dt)=(F(вектор)v(вектор)) (11.5). Что

будет происходить с системой (в простейшем случае -с мат. точкой) при

совершении работы над ней. Запишем элементарную работу и выразим силу в нем

при помощи 2го з-на Ньютона.

dA=(F(вектор)dr(вектор))=m(a(вектор)dr(вектор))=m(dv(вектор)dr(вектор))/dt=m

(dv(вектор)v(вектор))=md(v(вектор)v(вектор))/2=md(v^2)/2=d(mv^2/2) (11.6)

Слева стоит элементарная работа, а справа дифференциал некоторой ф-и

,имеющий размерность работы и зависящий от скор.: дифференциал ф-и скор.,

опред-мой совершеной работой. Пусть в начальный момент времени t0 скорость

тела равнялась (0. Полную работу за промежуток времени от t0 до t1 получим

после интегрирования dA, как это сделано в формуле (11.4). Совершаемая над

телом работа привела к увеличению его скор..Теперь можно ввести понятие

кин. энергии: A01=m(v1)^2/2 - m(v0)^2/2 = Ek1-Ek0. (11.7) Кинетическая эн-я

опр-ся работой, кот. совершена над телом. Положительная работа приводит к

увеличению скор. тела и к увеличению кин. энергии, отрицательная - к

уменьшению того и другого. If сист. сост. из многих тел, то ее

кинетическая эн-я складывается из кинетических энергий всех тел.

12. Поля консервативных сил. Потенциальная энергии . 13. З-н сохранения

механической энергии. Кроме кин. энергии есть еще потенциальная эн-я, для

кот. не сущ-вует общей формулы. Это понятие можно ввести лишь для огранич.

класа сил - для консервативных сил. Это силы, работа кот. по замкнутой

траектории =а нулю. Существует другое определение консервативных сил.

Консервативными силами называются такие силы, работа в поле кот. не зависит

от траектории и опр-ся только начальным и конечным положением системы.

Нетрудно показать, что эти определения равнозначны. Действительно, if

работа не зависит от траектории, то при обратном движении вдоль траектории

она будет такая же, но с обратным знаком. Просуммировав движение по

замкнутой траектории, состоящей из 2х кривых, получаем в сумме 0.

Консервативные силы, как правило, зависят только от положения тела, а

неконсервативные - от его скор.. Рассмотрим примеры полей консервативных и

неконсервативных сил. Силы трения или сопротивления явл. неконсервативными.

Их направл. опр-ся скор-тью перемещения тел. Силы трения всегда направлены

в сторону, противоположную направл. движения, т.е.: F(вектор)тр=-

(v(вектор)/v)Fтр. Здесь v(вектор)/v - единичный вектор, направленный вдоль

скор. тела. Работа силы трения по замкнутой траектории l =а: A(l)=

'интеграл c кружком от (l)'(-Fтр((v(вектор)/v)dr(вектор)))= -'интеграл от

t1 до t2'(Fтр((v(вектор)/v)dr(вектор)/dt)dt)= -'интеграл от t1 до

t2'(Fтр((v(вектор)v(вектор))/v)dt)= -'интеграл от t1 до t2'(Fтр*vdt)=-

'интеграл c кружком от (l)'(Fтр*dl). Кружок у интеграла - интегрирование по

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5