План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2


НазваниеПлан: Структура и динамика естественнонаучного познания 2
страница1/8
Дата публикации09.03.2013
Размер1.3 Mb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Астрономия > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8
-Лекция 2. Структурные уровни организации материи

(2 часа)

План:

1.Структура и динамика естественнонаучного познания

2. Классификация элементарных частиц.

3. Общая характеристика физического взаимодействия

4. Пространство и время

5.Теория относительности

6. Общая теория относительности.
1. Структура и динамика естественнонаучного познания

Весь окружающий нас мир — это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями.

Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем — неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир — область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир — мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. Сюда относятся макромолекулы, вещества в различных агрегатных состояниях, живые организмы, человек и продукты его деятельности, т.е. макротела. Мегамир — сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами. и парсеками, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. Сюда относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

^ Структура мегамира

Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты — несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

^ Звезды — светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. Число звезд в Галактике — порядка триллиона. Самые многочисленные из них — карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы, звёзды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

^ Белый карлик — это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность — 10 т/см3, т.е. в сотни раз больше земной плотности.

^ Нейтронные звезды (пульсары) возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в ее наружных слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, т.к. он состоит из протонов и нейтронов.

Черные дыры — это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км.; обладают гигантской массой (1015 г) и аномально сильным гравитационным полем; не обладают свечением, и за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

^ Звездные системы (звездные скопления) — группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд.

Галактики — совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. Первый - спиральные галактики – у них отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй - включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. Третий - галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра.

Галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Метагалактика — система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы: астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;парсек — единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними.

Структура макромира

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира

Согласно концепции элементарных частиц основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами: 1.свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества;

2. свойство- наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы — это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции — превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

3 свойство элементарных частиц - их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

2.Классификация элементарных частиц.

Элементарные частицы — основные «кирпичики», из которых состоит как материя, так и поле. При этом все элементарные частицы неоднородны: некоторые из них являются составными (протон, нейтрон), а другие — несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называют фундаментальными.

Одной из важнейших характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на несколько групп:частицы, не имеющие массы покоя. К этой группе частиц относят фотоны, движущиеся со скоростью света;лептоны (от «лептос» — легкий) — легкие частицы (электрон и нейтрино);мезоны (от «мезос» — средний, промежуточный) — средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;барионы (от «барос» — тяжелый) — тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).

Второй важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (—1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом — кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы:адроны (от «андрос» — крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;частицы — переносчики взаимодействий, они обеспечивают взаимодействие. К ним относятся: фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны — переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия; гравитоны — частицы, обеспечивающие гравитационное взаимодействие.

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц выступает время их жизни, которое определяет их стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни составляет 10-10— 10-24 с, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, иначе их называют резонансами. Время жизни резонансов составляет от 10-24 до 10-26 с.

Важнейшей характеристикой частиц является спин — собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу. Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином — бозонами.

Фермионы — это не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2, — омега-гиперон. Бозоны — это кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, однако в классическом пределе выступают как поля. Примером бозонов служит фотон, спин которого равен 1, и мезон, спин которого равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 — гравитоны.

Все перечисленные элементарные частицы являются переносчиками физических взаимодействий.

Теория кварков.

Адроны состоят из более мелких частиц — кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков — их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами — парами и тройками. Соединение трех кварков приводит к образованию барионов; кварка и антикварка — к образованию мезонов, трех антикварков — к образованию антибарионов.
3. Общая характеристика физического взаимодействия

Исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия - взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей и посредников (агентов взаимодействия).

^ Принцип близкодействия, который в настоящее время существует в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем от точки к точке с конечной скоростью. В XX в. принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.При физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. С точки зрения современной науки физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, т.е. идет с некоторым запаздыванием. В основе каждого фундаментального физического взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности частиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда — квант — называют единичным зарядом. Согласно современным представлениям любое взаимодействие происходит в соответствии с принципом близкодействия. Скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом — скоростью света. Воздействие передается через среду, разделяющую взаимодействующие частицы. Такой средой является вакуум, который в обыденном представлении ассоциируется с пустотой. На самом деле вакуум — это реальная физическая система, поле с минимальной энергией. Из него можно получить все другие состояния поля. В процессе физического взаимодействия всегда участвуют только частицы-фермионы (частицы вещества), а переносят взаимодействие частицы-бозоны (кванты полей).Таким образом, теория физического взаимодействия использует следующую модель процесса:

заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. Заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние; частицы поля являются виртуальными — существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены; оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот; обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Итак, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица — переносчик взаимодействия.

Типы взаимодействий
  1   2   3   4   5   6   7   8

Похожие:

План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconЛитература Гуманитарная парадигма
Недостаточность естественнонаучного познания применительно к социальным и культурным объектам поставила перед исследователями науки...
План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconРоль античной философии в становлении научной рациональности
В эпоху сама возможность научного познания мира отнюдь не были самоочевидной. Немало мыслителей сомневалось в возможности естественнонаучного...
План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconПримерный перечень вопросов
ДЕ1: Структурная, методологическая и историческая панорама естественнонаучного познания мира
План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconУчебный план 6 семестра группы хп-3 (2012-2013 учебный год) дисциплина...
Цыганков А. П. Современные политические режимы: структура, типология, динамика. М., 1995
План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconВопросы к экзамену
Основные понятия психоанализа Фрейда. Структура личности по Фрейду. Внутриличностная динамика в теории З. Фрейда
План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconВропросы к экзамену
Предмет, структура и функции экономической теории. Методы познания экономических явлений
План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconЗакономерности и пути метастазирования злокачественных опухолей
Заболеваемость и смертность от злокачественных опухолей. Динамика и структура заболеваемости. Возрастно-половые особенности
План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconI. Тематический план № п/п
Логика правдоподобных (недедуктивных умозаключений как методов эмпирического познания)
План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconСтруктура сознания, согласно Зигмунду Фрейду состоит из …
Способность человеческой психики в процессе познания формировать идеальные модели реальности связана с …
План: Структура и динамика естественнонаучного познания 2 iconБизнес-план и его структура

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница