Материя и размеры наблюдаемой части Вселенной

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ЗАОЧНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Участкин В.И., Никитин Б.И.

ФИЗИКА:

теория, контрольные задания и примеры решения задач

Методические указания

МОСКВА, 2005г.

УДК 53(075.8)

ББК 22.3я73

Участкин В.И., Никитин Б.И. Физика: теория, контрольные задания и примеры решения задач. Методические указания. – М.:ООО «Техполиграфцентр», 2005 – 94с.

Лицензия на издательскую деятельность – код 221, серия ИД

Рецензенты:

проф. Сапогин Л.Г.

доц. Ступаков Е.И.

Методические указания подготовлены для студентов заочного отделения с целью дать представление о курсе физики при минимуме имеющейся литературы.

Приведено изложение основных разделов физики, дающее целостное представление о курсе, как основы для дальнейшей инженерной специализации. Здесь же приведены примеры решения стандартных задач. Курс разбивается на два семестра. В первом семестре рассматриваются вопросы механики, силовых полей и колебаний. Во втором - волновые процессы, квантовая физика и строение вещества.

Соответственно такому разбиению студенты готовят в каждом семестре по одному контрольному заданию. Из 10 вариантов приведенных заданий выбирается тот, который совпадает с последней цифрой номера вашего пропуска или зачетной книжки. Более сложное контрольное задание №3 предназначено для студентов, желающих проверить свои знания или для тех, у кого в программе имеется третий семестр по физике.

В течение каждого семестра студент решает задачи на базе разработанного в данном издании задачника по физике и представляет их к зачету. Проводятся регулярные консультации. Во время аудиторных занятий выполняется цикл лабораторных работ, дается общее представление о курсе физики на базе отдельных разделов курса. Завершается курс экзаменом.

Материалы лекционного курса изложены профессором В.И.Участкиным, комплекты контрольных задач составлены старшим преподавателем Б.И.Никитиным.

Участкин В.И., Никитин Б.И., 2005

Лекция 1. Понятие о материи, пространстве и времени. Основы релятивистской механики. Принцип относительности в механике.

Физика изучает наиболее общие формы существования материи в пространстве и времени и наиболее общие формы ее движения (механическое, волновое, квантовое и т.д.) Построение физической картины мира имеет познавательную (эвристическую) ценность, так как указывает путь развития физики как науки.

Механическая картина мира была окончательно сформулирована в работах Г.Галилея, И.Ньютона и Декарта. Однако, за много тысячелетий до них картина развития мира формировалась умами разных народов. В русской сказке ”Колобок” наиболее точно воспроизведен процесс эволюции Вселенной. Вселенная возникла из физического вакуума. Физический вакуум это не пустота. Он чреват рождением частиц и античастиц. Рождение Вселенной связано с возникновением гигантской флуктуации материи плотностью 10⁸⁰ кг/м³. Вселенная родилась симметричной с равным числом частиц и античастиц. Однако чрезвычайно быстро наступил момент (примерно через 10^-35с от момента возникновения гигантской флуктуации), когда создались условия для нарушения закона сохранения барионного заряда (протоны и нейтроны в ядре атома являются барионами). Тогда число образующихся в процессе эволюции Вселенной частиц оказалось несколько больше чем античастиц. В момент времени 10^-35 – 10^-32с от начала флуктуации происходит аннигиляция равного числа частиц и античастиц. Это явление сопровождается гигантским взрывом и Вселенная расширилась практически мгновенно почти до современных размеров. Происходящее сейчас расширение протекает с незначительной скоростью. Через время больше 10¹²⁰с под действием ядерных реакций материя должна превратиться в электроны и излучение. Именно так в русском сознании и представляется эволюция Вселенной по сказке «Колобок». Сферически симметричный мир – «колобок» появился из ничего. Но это «ничего» все же позволило наскрести «горсти две муки» и испечь его. Колобок проходит свой жизненный цикл и, попав лисе на язык, оказывается съеденным.

Электромагнитная природа была окончательно выявлена в работах Максвелла (уравнения Максвелла), хотя многие основные положения были заложены еще Майклом Фарадеем. Квантово-полевые представления развивались в XX столетии Эрнестом Резерфордом, Нильсом Бором, Гайзенбергом и Шредингером.

1. Материя-”философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них” В.И.Ленин. Таким образом, под материей мы понимаем окружающие нас материальные тела вместе с создаваемыми ими полями -электромагнитным и гравитационным. Британский философ Бертран Рассел предложил рассматривать структурные уровни материи. Рассмотрим следующие виды структурных уровней:

- Элементарные частицы и поля

- Атомы

- Молекулы

- Макроскопические тела

- Геологические системы

- Планеты

- Звезды

- Внутригалактические системы

- Галактика

- Системы галактик

- Особый тип материальных систем - живая материя - совокупность организмов, способных к воспроизводству.

Физика как точная наука не ограничивается качественным определением материи. Она дает количественную характеристику понятий.

2. Пространство характеризует структурность и протяженность материальных систем. Пространство однородно и изотропно. Однородность пространства означает равномерное распределение материи в пространстве, а изотропность – равномерное распределение по всем направлениям в пространстве.

Материя и размеры наблюдаемой части Вселенной

Часть Вселенной	Число протонов и нейтронов	Масса кг	Размеры м
Наблюдаемая часть Вселенной	1080	1051- 1053	1026=13млрд. св.лет
Галактика	1068	1041	7,5*1020
Солнце	1057	1030	109
Земля	1051	6*1024	6*106
Человек	1030	50-80	1,5-1,8
Клетка	1012-1014	~10-13
Атом водорода		1,66*10-27	10-10
Протон		1,66.10-27	10-15

Плоское, выпуклое и вогнутое пространство описывается соответственно геометриями Евклида, Римана, Лобачевского.

Для плоского пространства характерно, что å углов D= 180^о .

Для выпуклого пространства - å углов D >180^о .

Для вогнутого пространства - å углов D <180^о .

Вплоть до R>6_*10¹⁷м не обнаружена кривизна пространства и для микро и макромира можно считать пригодной геометрию плоского пространства.

Вопрос о метрике пространства может возникнуть при выяснении модели Вселенной, в которой мы живем (три модели - расширяющейся, сжимающейся и пульсирующей Вселенной). Эффект Доплера (красное смещение звездных спектров свидетельствует в пользу расширяющейся Вселенной или пульсирующей, но находящейся в стадии расширения.

3. Время - форма последовательной сметы явлений и состояний материи. Основное свойство времени – однородность, что означает наличие последовательной смены событий

В жизни психологическое время направлено из прошлого в будущее и оно необратимо.

В процессе развития Вселенной степень упорядочения в ней убывает, т.е. изменение энтропии DS>0, т.к. число возможных неупорядоченных состояний в ней становится больше. Следовательно, в прошлом был порядок.

Вселенная замкнута. При ее расширении мы как бы проходим по поверхности шара, где параллели отмечают интервалы времени. Максимального размера она достигает на экваторе, затем вновь начинает стягиваться. В этот момент Вселенная достигает полного беспорядка. Материя распадается на мелкие частицы и излучение. Стивен Хокинг (физик теоретик) утверждает, что фаза сжатия в упорядоченное состояние менее вероятна, чем сжатие в сильное неупорядоченное состояние. Разумная жизнь не может существовать в фазе сжатия Вселенной , т.к. ей сопутствует потребление пищи - когда упорядоченная форма энергии перерабатывается в неупорядоченную форму. Итак, жизнь может существовать только в фазе расширения Вселенной.

4.Принцип относительности в механике.

Исторически первым принцип относительности сформулировал французский ученый Анри Пуанкаре. В1895 году выходит его работа

“К теории Лармора”, в 1898 году - ”Измерение времени”, в 1901 году

“Оптические явления в движущихся телах” (Курс лекций, прочитанных в Сорбонне в 1899 году), в 1902 году “О принципе относительности пространства и движения ” , 5 июня 1905 года “ О принципе электрона”.Известный историк физик Эдуард Уиттекер (Whittaker E.A.) писал в1953 году ,что «уже в 1899 году Пуанкаре пришел к выводу ,что абсолютное движение не может быть зарегистрировано в принципе ни динамическими, ни оптическими, ни электрическими методами...» 24 сентября 1904 года Пуанкаре выступил на Конгрессе искусств и науки в Сент-Луисе (США). Он дал обобщенное толкование высказанному им ранее принципу, назвав его «принципом относительности». ”В соответствии с принципом относительности, - сказал Пуанкаре,- физические законы должны иметь одинаковую форму как для “покоящегося” наблюдателя, так и для наблюдателя, движущегося

Академик А.А.Логунов Анри Пуанкаре

равномерно и прямолинейно относительно первого”.

Академик А.А.Логунов - ректор МГУ в предисловии к работам А.Пуанкаре в 1988 году писал, что “в работе от 23 июля 1905 года он сформировал все основное, что является содержанием теории относительности, открыл законы релятивистской механики.”

А.Эйнштейн узнал о “принципе относительности ” у Пуанкаре. Об этом говорит биограф Эйнштейна - Карл Зелиг. ”Эйнштейн прочел книгу Пуанкаре (Наука и гипотеза)” в присутствии Соловина и Конрада Габихта на частном собрании под названием “ Олимпия ” в Берне до того, как Соловин уехал из Берна в 1905 году, а Габихт еще ранее в 1904 году.

Использование Эйнштейном материалов других авторов было довольно своеобразным - без ссылок на этих авторов. Это не единственный случай. Работы Эйнштейна с 1902-1905 года о явлениях термодинамики и флюктуациях в значительной мере повторяют работы других авторов без ссылок на них. После издания работы по теории относительности прошло 7 лет, но Пуанкаре нигде и никогда не приписывал Эйнштейну приоритет открытия теории относительности. Напротив, он часто утверждал, что первооткрывателем был Лоренц, принижая тем самым свою роль в ее открытии.

Относительность понятия движения связана с движением относительно разных систем отсчета. (Геоцентрическая система Птолемея и гелиоцентрическая Галилея - правильный выбор системы отсчета имеет глубокий физический смысл).

Инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

Системы отсчета, движущиеся друг относительно друга поступательно с постоянной скоростью, называются инерциальными.