Klasikinės mechanikos pagrindai

Mechanika– fizikos šaka, tirianti mechaninio kūnų judėjimo dėsnius.

Kūnas– apčiuopiamas materialus objektas.

Mechaninis judėjimas - pakeisti nuostatas kūno ar jo dalių erdvėje laikui bėgant.

Aristotelis šį judėjimo tipą reprezentavo kaip tiesioginį kūno pakeitimą savo vietoje kitų kūnų atžvilgiu, nes jo fizikoje materialus pasaulis buvo neatsiejamai susijęs su erdve, egzistavo su ja. Laiką jis laikė kūno judėjimo matu. Vėlesni požiūrio į judėjimo prigimtį pokyčiai lėmė laipsnišką erdvės ir laiko atskyrimą nuo fiziniai kūnai. Galiausiai, suabsoliutinimas Niutono erdvės ir laiko samprata paprastai išvedė juos už galimos patirties ribų.

Tačiau toks požiūris leido pabaigos XVIII amžiuje pastatyti užbaigtą sistema mechanika, dabar vadinama klasikinis. Klasicizmas ar tai:

1) apibūdina daugumą mechaniniai reiškiniai makrokosmose, naudojant nedidelį skaičių pradinių apibrėžimų ir aksiomų;

2) griežtai matematiškai pagrįsta;

3) dažnai naudojamas konkretesnėse mokslo srityse.

Patirtis tai rodo klasikinė mechanika taikomi prie kūnų judėjimo greičiais v aprašymui<< с ≈ 3·10 8 м/с. Ее основные разделы:

1) statika tiria kūnų pusiausvyros sąlygas;

2) kinematika – kūnų judėjimas neatsižvelgiant į jo priežastis;

3) dinamika – kūnų sąveikos įtaka jų judėjimui.

Pagrindinis mechanikos sąvokos:

1) Mechaninė sistema yra psichiškai identifikuotas kūnų rinkinys, kuris yra būtinas atliekant tam tikrą užduotį.

2) Materialus taškas yra kūnas, kurio formos ir matmenų šios problemos rėmuose galima nepaisyti. Kūnas gali būti pavaizduotas kaip materialių taškų sistema.

3) Absoliučiai standus kūnas yra kūnas, kurio atstumas tarp bet kurių dviejų taškų nekinta tam tikros problemos sąlygomis.

4) Judėjimo reliatyvumas slypi tame, kad kūno padėties erdvėje pasikeitimą galima nustatyti tik kai kurių kitų kūnų atžvilgiu.

5) Atskaitos kūnas (RB) – absoliučiai standus kūnas, kurio atžvilgiu šioje užduotyje nagrinėjamas judėjimas.

6) Atskaitos rėmas (FR) = (TO + SC + laikrodis). Koordinačių sistemos (OS) pradžia derinama su kokiu nors TO tašku. Laikrodžiai matuoja laiko periodus.

Dekarto SK:

5 pav

Padėtis aprašomas materialus taškas M taško spindulio vektorius, – jo projekcijos koordinačių ašyse.

Jei nustatysite pradinį laiką t 0 = 0, tada bus aprašytas taško M judėjimas vektoriaus funkcija arba trys skaliarinės funkcijos x(t),y(t), z(t).

Materialaus taško judėjimo linijinės charakteristikos:

1) trajektorija – materialaus taško judėjimo linija (geometrinė kreivė),

2) kelias ( S) – juo nuvažiuotas atstumas per tam tikrą laikotarpį,

3) juda,

4) greitis,

5) pagreitis.

Bet koks standaus kūno judesys gali būti sumažintas iki dviejų pagrindinių tipų - progresyvus Ir rotacinis aplink fiksuotą ašį.

Judėjimas į priekį- tokia, kurioje tiesi linija, jungianti bet kuriuos du kūno taškus, lieka lygiagreti pradinei padėčiai. Tada visi taškai juda vienodai, ir galima apibūdinti viso kūno judėjimą vieno taško judėjimas.

Rotacija aplink fiksuotą ašį – judėjimas, kai yra tiesi linija, standžiai sujungta su kūnu, kurios visi taškai lieka nejudantys tam tikrame atskaitos rėme. Likusių taškų trajektorijos yra apskritimai su centrais šioje tiesėje. Šiuo atveju tai patogu kampinės charakteristikos judesiai, kurie yra vienodi visiems kūno taškams.

Materialaus taško judėjimo kampinės charakteristikos:

1) sukimosi kampas (kampinis kelias), matuojamas radianais [rad], kur r– taško trajektorijos spindulys,

2) kampinis poslinkis, kurio modulis yra sukimosi kampas per trumpą laiką dt,

3) kampinis greitis,

4) kampinis pagreitis.

6 pav

Ryšys tarp kampinių ir tiesinių charakteristikų:

Dinamikos naudojimas jėgos samprata, matuojamas niutonais (H), kaip vieno kūno įtakos kitam matas. Šis poveikis yra judėjimo priežastis.

Jėgų superpozicijos principas– gaunamas kelių kūnų poveikio kūnui poveikis yra lygus kiekvieno iš šių kūnų poveikio poveikių sumai atskirai. Dydis vadinamas rezultatine jėga ir apibūdina lygiavertį poveikį kūnui n tel.

Niutono dėsniai apibendrinti eksperimentinius mechanikos faktus.

1-asis Niutono dėsnis. Egzistuoja atskaitos sistemos, kurių atžvilgiu materialus taškas išlaiko ramybės būseną arba tolygų tiesinį judėjimą, nesant jį veikiančios jėgos, t.y. jei, tada.

Toks judėjimas vadinamas judėjimu inerciniu arba inerciniu judėjimu, todėl atskaitos sistemos, kuriose tenkinamas 1-asis Niutono dėsnis, vadinamos inercinis(ISO).

2-asis Niutono dėsnis. , kur yra materialaus taško impulsas, m– jos masė, t.y. jei , tada ir, vadinasi, judėjimas nebebus inercinis.

3 Niutono dėsnis. Kai du materialūs taškai sąveikauja, jėgos atsiranda ir yra taikomos abiem taškams ir .

Mechanika – tai kūnų (ar jų dalių) pusiausvyros ir judėjimo erdvėje ir laike tyrimas. Mechaninis judėjimas yra paprasčiausia ir kartu (žmonėms) labiausiai paplitusi materijos egzistavimo forma. Todėl mechanika gamtos moksle užima itin svarbią vietą ir yra pagrindinis fizikos poskyris. Jis istoriškai atsirado ir susiformavo kaip mokslas anksčiau nei kitos gamtos mokslų poskyriai.

Mechanika apima statiką, kinematiką ir dinamiką. Statikoje tiriamos kūnų pusiausvyros sąlygos, kinematikoje - kūnų judesiai geometriniu požiūriu, t.y. neatsižvelgiant į jėgų veikimą, o dinamikoje – atsižvelgiant į šias jėgas. Statika ir kinematika dažnai laikomos įvadu į dinamiką, nors jos taip pat turi savarankišką reikšmę.

Iki šiol mechanika turėjome omenyje klasikinę mechaniką, kurios statyba buvo baigta iki XX amžiaus pradžios. Šiuolaikinės fizikos rėmuose yra dar dvi mechanikos - kvantinė ir reliatyvistinė. Bet mes pažvelgsime į klasikinę mechaniką išsamiau.

Klasikinė mechanika kūnų judėjimą laiko daug mažesniu greičiu nei šviesos greitis. Pagal specialiąją reliatyvumo teoriją kūnams, judantiems dideliu greičiu, artimu šviesos greičiui, absoliutus laikas ir absoliuti erdvė neegzistuoja. Vadinasi, kūnų sąveikos pobūdis tampa sudėtingesnis, visų pirma kūno masė, pasirodo, priklauso nuo jo judėjimo greičio. Visa tai buvo svarstoma reliatyvistinėje mechanikoje, kuriai šviesos greičio konstanta vaidina pagrindinį vaidmenį.

Klasikinė mechanika remiasi šiais pagrindiniais dėsniais.

Galilėjaus reliatyvumo principas

Pagal šį principą yra be galo daug atskaitos sistemų, kuriose laisvas kūnas yra ramybės būsenoje arba juda, kurio greitis yra pastovus pagal dydį ir kryptį. Šios atskaitos sistemos vadinamos inercinėmis ir juda viena kitos atžvilgiu tolygiai ir tiesiškai. Šis principas taip pat gali būti suformuluotas kaip absoliučių atskaitos sistemų nebuvimas, tai yra atskaitos sistemos, kurios bet kokiu būdu skiriasi nuo kitų.

Klasikinės mechanikos pagrindas yra trys Niutono dėsniai.

• 1. Kiekvienas materialus kūnas išlaiko ramybės būseną arba tolygų tiesinį judėjimą tol, kol kitų kūnų įtaka priverčia jį pakeisti šią būseną. Kūno noras išlaikyti ramybės būseną arba tolygų tiesinį judėjimą vadinamas inercija. Todėl pirmasis dėsnis dar vadinamas inercijos dėsniu.
• 2. Kūno įgytas pagreitis yra tiesiogiai proporcingas kūną veikiančiai jėgai ir atvirkščiai proporcingas kūno masei.
• 3. Jėgos, kuriomis sąveikaujantys kūnai veikia vienas kitą, yra vienodo dydžio ir priešingos krypties.

Antrasis Niutono dėsnis mums žinomas kaip

gamtos mokslas klasikinis mechanikos dėsnis

F = m H a arba a = F/m,

kur pagreitis a, kurį gauna kūno veikiant jėgai F, yra atvirkščiai proporcingas kūno masei m.

Pirmąjį dėsnį galima gauti iš antrojo, nes nesant kitų jėgų įtakos kūnui, pagreitis taip pat yra lygus nuliui. Tačiau pirmasis dėsnis laikomas savarankišku įstatymu, nes jis teigia, kad egzistuoja inercinės atskaitos sistemos. Matematinės formuluotės metu antrasis Niutono dėsnis dažniausiai rašomas taip:

kur yra gautas kūną veikiančių jėgų vektorius; -- kūno pagreičio vektorius; m – kūno svoris.

Trečiasis Niutono dėsnis paaiškina kai kurias antrajame įstatyme įvestos jėgos sąvokos ypatybes. Jis postuluoja kiekvienos jėgos, veikiančios pirmąjį kūną iš antrojo, buvimą, vienodo dydžio ir priešingos krypties jėgai, veikiančiai antrąjį kūną nuo pirmojo. Trečiojo Niutono dėsnio buvimas užtikrina kūnų sistemos impulso išsaugojimo dėsnio įvykdymą.

Impulso tvermės dėsnis

Šis dėsnis yra Niutono dėsnių pasekmė uždaroms sistemoms, tai yra sistemoms, kuriose neveikia jokios išorinės jėgos arba išorinių jėgų veiksmai yra kompensuojami, o susidariusi jėga yra lygi nuliui. Žvelgiant iš fundamentalesnio požiūrio taško, egzistuoja ryšys tarp impulso išsaugojimo ir erdvės vienalytiškumo dėsnio, išreikšto Noeterio teorema.

Energijos tvermės dėsnis

Energijos tvermės dėsnis yra Niutono dėsnių pasekmė uždaroms konservatyvioms sistemoms, tai yra sistemoms, kuriose veikia tik konservatyvios jėgos. Energija, kurią vienas kūnas suteikia kitam, visada yra lygi kito kūno gaunamai energijai. Siekdama kiekybiškai įvertinti energijos mainų tarp sąveikaujančių kūnų procesą, mechanika pristato jėgos, sukeliančios judėjimą, darbo sampratą. Jėga, sukelianti kūno judėjimą, veikia, o judančio kūno energija didėja sunaudojamo darbo kiekiu. Kaip žinoma, m masės kūnas, judantis greičiu v, turi kinetinę energiją

Potenciali energija yra mechaninė kūnų, sąveikaujančių per jėgos laukus, pavyzdžiui, gravitacijos jėgas, sistemos energija. Šių jėgų atliekamas darbas perkeliant kūną iš vienos padėties į kitą nepriklauso nuo judėjimo trajektorijos, o priklauso tik nuo pradinės ir galutinės kūno padėties jėgos lauke. Gravitacinės jėgos yra konservatyvios jėgos, o m masės kūno, pakelto į aukštį h virš Žemės paviršiaus, potenciali energija yra lygi

E prakaitas = mgh,

kur g yra gravitacijos pagreitis.

Bendra mechaninė energija yra lygi kinetinės ir potencinės energijos sumai.

Klasikinė mechanika- mechanikos rūšis (fizikos šaka, tirianti kūnų padėties erdvėje pokyčių laikui bėgant dėsnius ir juos sukeliančias priežastis), pagrįsta Niutono dėsniais ir Galilėjaus reliatyvumo principu. Todėl jis dažnai vadinamas „ Niutono mechanika».

Klasikinė mechanika skirstoma į:

• statika (kurioje atsižvelgiama į kūnų pusiausvyrą)
• kinematika (tiria geometrinę judėjimo savybę neatsižvelgdama į jo priežastis)
• dinamika (kurioje atsižvelgiama į kūnų judėjimą).

Yra keli lygiaverčiai būdai formaliai apibūdinti klasikinę mechaniką matematiškai:

• Lagranžo formalizmas
• Hamiltono formalizmas

Klasikinė mechanika duoda labai tikslius rezultatus, jei ji taikoma tik kūnams, kurių greitis yra daug mažesnis už šviesos greitį ir kurių dydžiai žymiai viršija atomų ir molekulių dydžius. Klasikinės mechanikos apibendrinimas kūnams, judantiems savavališku greičiu, yra reliatyvistinė mechanika, o kūnams, kurių matmenys yra panašūs į atominius, yra kvantinė mechanika. Kvantinio lauko teorija tiria kvantinius reliatyvistinius efektus.

Tačiau klasikinė mechanika išlaiko savo reikšmę, nes:

1. ją daug lengviau suprasti ir naudoti nei kitas teorijas
2. plačiu diapazonu jis gana gerai apibūdina tikrovę.

Klasikinė mechanika gali būti naudojama apibūdinti objektų, tokių kaip viršūnės ir beisbolo kamuoliai, daugelio astronominių objektų (pvz., planetų ir galaktikos), ir kartais net daugelio mikroskopinių objektų, tokių kaip molekulės, judėjimą.

Klasikinė mechanika yra savarankiška teorija, tai yra, jos rėmuose nėra teiginių, kurie prieštarautų vienas kitam. Tačiau jo derinys su kitomis klasikinėmis teorijomis, pavyzdžiui, klasikine elektrodinamika ir termodinamika, sukelia neišsprendžiamų prieštaravimų atsiradimą. Visų pirma, klasikinė elektrodinamika numato, kad šviesos greitis yra pastovus visiems stebėtojams, o tai nesuderinama su klasikine mechanika. XX amžiaus pradžioje tai lėmė poreikį sukurti specialią reliatyvumo teoriją. Klasikinė mechanika kartu su termodinamika veda prie Gibso paradokso, kuriame neįmanoma tiksliai nustatyti entropijos vertės, ir prie ultravioletinės katastrofos, kai juodas kūnas turi spinduliuoti begalinį energijos kiekį. Bandymai išspręsti šias problemas paskatino kvantinės mechanikos atsiradimą ir vystymąsi.

Pagrindinės sąvokos

Klasikinė mechanika remiasi keliomis pagrindinėmis koncepcijomis ir modeliais. Tarp jų yra:

Pagrindiniai dėsniai

Galilėjaus reliatyvumo principas

Pagrindinis principas, kuriuo remiasi klasikinė mechanika, yra reliatyvumo principas, suformuluotas remiantis G. Galilėjaus empiriniais stebėjimais. Pagal šį principą yra be galo daug atskaitos sistemų, kuriose laisvas kūnas yra ramybės būsenoje arba juda, kurio greitis yra pastovus pagal dydį ir kryptį. Šios atskaitos sistemos vadinamos inercinėmis ir juda viena kitos atžvilgiu tolygiai ir tiesiškai. Visose inercinėse atskaitos sistemose erdvės ir laiko savybės yra vienodos, o visi procesai mechaninėse sistemose paklūsta tiems patiems dėsniams. Šis principas taip pat gali būti suformuluotas kaip absoliučių atskaitos sistemų nebuvimas, tai yra atskaitos sistemos, kurios bet kokiu būdu skiriasi nuo kitų.

Niutono dėsniai

Klasikinės mechanikos pagrindas yra trys Niutono dėsniai.

Antrojo Niutono dėsnio nepakanka dalelės judėjimui apibūdinti. Be to, reikalingas jėgos aprašymas, gautas atsižvelgiant į fizinės sąveikos, kurioje dalyvauja kūnas, esmę.

Energijos tvermės dėsnis

Energijos tvermės dėsnis yra Niutono dėsnių pasekmė uždaroms konservatyvioms sistemoms, tai yra sistemoms, kuriose veikia tik konservatyvios jėgos. Esminiu požiūriu yra ryšys tarp energijos tvermės dėsnio ir laiko homogeniškumo, išreikštas Noeterio teorema.

Už Niutono dėsnių taikymo ribų

Klasikinė mechanika taip pat apima sudėtingų išplėstų netaškinių objektų judesių aprašymus. Eilerio dėsniai suteikia Niutono dėsnių išplėtimą šiam regionui. Kampinio momento samprata remiasi tais pačiais matematiniais metodais, kurie naudojami apibūdinti vienmatį judėjimą.

Raketos judėjimo lygtys išplečia greičio sampratą, kai objekto impulsas laikui bėgant kinta, kad būtų atsižvelgta į tokius efektus kaip masės praradimas. Yra dvi svarbios alternatyvios klasikinės mechanikos formuluotės: Lagrando mechanika ir Hamiltono mechanika. Šios ir kitos šiuolaikinės formuluotės linkusios apeiti „jėgos“ sąvoką ir pabrėžti kitus fizinius dydžius, tokius kaip energija ar veiksmas, apibūdinant mechanines sistemas.

Pirmiau pateiktos impulso ir kinetinės energijos išraiškos galioja tik tuo atveju, jei nėra reikšmingo elektromagnetinio įnašo. Elektromagnetizme pažeidžiamas antrasis Niutono dėsnis, taikomas srovę nešančiam laidui, jei jis neapima elektromagnetinio lauko indėlio į sistemos impulsą, išreikštą Poyntingo vektoriumi, padalytu iš c 2 kur c yra šviesos greitis laisvoje erdvėje.

Istorija

Senovės laikas

Klasikinė mechanika atsirado senovėje daugiausia dėl problemų, iškilusių statybų metu. Pirmoji išsivysčiusi mechanikos šaka buvo statika, kurios pagrindai buvo padėti Archimedo darbuose III amžiuje prieš Kristų. e. Jis suformulavo svirties taisyklę – lygiagrečių jėgų sudėjimo teoremą, pristatė svorio centro sampratą ir padėjo hidrostatikos (Archimedo jėgos) pagrindus.

Viduramžiai

Naujas laikas

XVII a

XVIII a

XIX a

XIX amžiuje analitinės mechanikos raida vyko Ostrogradskio, Hamiltono, Jacobi, Hertzo ir kitų darbuose. Virpesių teorijoje Routhas, Žukovskis ir Lyapunovas sukūrė mechaninių sistemų stabilumo teoriją. Koriolis sukūrė santykinio judėjimo teoriją, įrodydamas pagreičio skaidymo į komponentus teoremą. XIX amžiaus antroje pusėje kinematika buvo atskirta į atskirą mechanikos skyrių.

Pažanga kontinuumo mechanikos srityje buvo ypač reikšminga XIX a. Navier ir Cauchy suformulavo elastingumo teorijos lygtis bendra forma. Navier ir Stokes darbuose hidrodinamikos diferencialinės lygtys gautos atsižvelgiant į skysčio klampumą. Kartu gilėja žinios idealaus skysčio hidrodinamikos srityje: pasirodo Helmholtzo darbai apie sūkurius, Kirchhoffo, Žukovskio ir Reinoldso darbai apie turbulenciją, Prandtl – apie ribinius efektus. Saint-Venant sukūrė matematinį modelį, apibūdinantį metalų plastines savybes.

Šiuolaikiniai laikai

XX amžiuje tyrėjų susidomėjimas perėjo prie netiesinių efektų klasikinės mechanikos srityje. Lyapunovas ir Henri Poincaré padėjo netiesinių virpesių teorijos pagrindus. Meshchersky ir Ciolkovskis analizavo kintamos masės kūnų dinamiką. Aerodinamika, kurios pagrindus sukūrė Žukovskis, išsiskiria iš kontinuumo mechanikos. XX amžiaus viduryje aktyviai kūrėsi nauja klasikinės mechanikos kryptis – chaoso teorija. Sudėtingų dinaminių sistemų stabilumo klausimai taip pat išlieka svarbūs.

Klasikinės mechanikos apribojimai

Klasikinė mechanika suteikia tikslius rezultatus sistemoms, su kuriomis susiduriame kasdieniame gyvenime. Tačiau jo prognozės tampa neteisingos sistemoms, kurių greitis artėja prie šviesos greičio, kur jį pakeičia reliatyvistinė mechanika, arba labai mažoms sistemoms, kuriose galioja kvantinės mechanikos dėsniai. Sistemoms, kurios sujungia abi šias savybes, vietoj klasikinės mechanikos naudojama reliatyvistinė kvantinio lauko teorija. Sistemoms, turinčioms labai daug komponentų arba laisvės laipsnių, klasikinė mechanika taip pat negali būti tinkama, tačiau naudojami statistinės mechanikos metodai.

Klasikinė mechanika yra plačiai naudojama, nes, pirma, ji yra daug paprastesnė ir lengviau naudojama nei aukščiau išvardytos teorijos, ir, antra, ji turi didelį aproksimavimo ir pritaikymo potencialą labai plačiai fizinių objektų klasei, pradedant nuo pažįstamų, pvz. viršūnė arba rutulys, dideli astronominiai objektai (planetos, galaktikos) ir labai mikroskopiniai (organinės molekulės).

Nors klasikinė mechanika paprastai yra suderinama su kitomis „klasikinėmis“ teorijomis, tokiomis kaip klasikinė elektrodinamika ir termodinamika, tarp šių teorijų, kurios buvo atrastos XIX amžiaus pabaigoje, yra tam tikrų neatitikimų. Jas galima išspręsti modernesnės fizikos metodais. Visų pirma, klasikinės elektrodinamikos lygtys yra nekintamos Galilėjaus transformacijose. Šviesos greitis į juos patenka kaip konstanta, o tai reiškia, kad klasikinė elektrodinamika ir klasikinė mechanika galėtų derėti tik vienoje pasirinktoje atskaitos sistemoje, susietoje su eteriu. Tačiau eksperimentiniai bandymai neatskleidė eterio egzistavimo, todėl buvo sukurta specialioji reliatyvumo teorija, kurioje buvo modifikuotos mechanikos lygtys. Klasikinės mechanikos principai taip pat nesuderinami su kai kuriais klasikinės termodinamikos teiginiais, vedančiais prie Gibso paradokso, teigiančio, kad entropija negali būti tiksliai nurodyta, ir prie ultravioletinės katastrofos, kai juodas kūnas turi spinduliuoti be galo daug energijos. Kvantinė mechanika buvo sukurta siekiant įveikti šiuos nesuderinamumus.

Pastabos

Interneto nuorodos

• Video paskaita 1. Fizika: klasikinė mechanika (1999 m. ruduo)// MIT paskaitos: 8.01

Literatūra

• Arnoldas V.I. Avets A. Klasikinės mechanikos ergodinės problemos.. - RHD, 1999. - 284 p.
• B. M. Yavorsky, A. A. Detlafas. Fizika aukštųjų mokyklų studentams ir stojantiems į universitetus. - M.: Akademija, 2008. - 720 p. - (Aukštasis išsilavinimas). – 34 000 egz.
• - ISBN 5-7695-1040-4 Sivukhin D.V.
• Bendrosios fizikos kursas. - 5-asis leidimas, stereotipinis. - M.: Fizmatlit, 2006. - T. I. Mechanika. – 560 s. - ISBN 5-9221-0715-1 A. N. Matvejevas.
• Mechanika ir reliatyvumo teorija. – 3 leidimas. - M.: ONIX XXI amžius: Taika ir švietimas, 2003. - 432 p. – 5000 egzempliorių.- ISBN 5-329-00742-9
• C. Kittel, W. Knight, M. Ruderman Mechanika. Berklio fizikos kursas. - M.: Lan, 2005. - 480 p. - (Vadovėliai universitetams). - 2000 egzempliorių.

- ISBN 5-8114-0644-4

Landau, L. D., Lifshits, E. M. Mechanika. - 5-asis leidimas, stereotipinis. - M.: Niutono mechanika».

Medžiaga iš Vikipedijos – laisvosios enciklopedijos

Klasikinė mechanika

kinematika (tiria geometrinę judėjimo savybę neatsižvelgdama į jo priežastis)

dinamika (kurioje atsižvelgiama į kūnų judėjimą).

Klasikinė mechanika duoda labai tikslius rezultatus, jei ji taikoma tik kūnams, kurių greitis yra daug mažesnis už šviesos greitį ir kurių matmenys žymiai viršija atomų ir molekulių matmenis. Klasikinės mechanikos apibendrinimas kūnams, judantiems savavališku greičiu, yra reliatyvistinė mechanika, o kūnams, kurių matmenys yra panašūs į atominius, kvantinė mechanika tiria kvantinius reliatyvistinius efektus.

Tačiau klasikinė mechanika išlaiko savo reikšmę, nes:

ją daug lengviau suprasti ir naudoti nei kitas teorijas

plačiu diapazonu jis gana gerai apibūdina tikrovę.

Klasikinė mechanika gali būti naudojama apibūdinti objektų, tokių kaip viršūnės ir beisbolo kamuoliai, daugelio astronominių objektų (pvz., planetų ir galaktikos), ir kartais net daugelio mikroskopinių objektų, tokių kaip molekulės, judėjimą.

Klasikinė mechanika yra savarankiška teorija, tai yra, jos rėmuose nėra teiginių, kurie prieštarautų vienas kitam. Tačiau jo derinys su kitomis klasikinėmis teorijomis, pavyzdžiui, klasikine elektrodinamika ir termodinamika, sukelia neišsprendžiamų prieštaravimų atsiradimą. Visų pirma, klasikinė elektrodinamika numato, kad šviesos greitis yra pastovus visiems stebėtojams, o tai nesuderinama su klasikine mechanika. XX amžiaus pradžioje tai lėmė poreikį sukurti specialią reliatyvumo teoriją. Klasikinė mechanika kartu su termodinamika veda prie Gibso paradokso, kai neįmanoma tiksliai nustatyti entropijos vertės, ir ultravioletinės katastrofos, kai visiškai juodas kūnas turi spinduliuoti begalinį energijos kiekį. Bandymai išspręsti šias problemas paskatino kvantinės mechanikos atsiradimą ir vystymąsi.

10 bilietas MECHANINIS PASAULIO PAVEIKSLAS

Termodinamika(gr. θέρμη – „šiluma“, δύναμις – „jėga“) – fizikos šaka, tirianti šilumos ir kitų energijos formų santykius ir transformacijas. Cheminė termodinamika, tirianti fizikines ir chemines transformacijas, susijusias su šilumos išsiskyrimu ar absorbavimu, taip pat šilumos inžinerija tapo atskiromis disciplinomis.

Termodinamikoje mes susiduriame ne su atskiromis molekulėmis, o su makroskopiniais kūnais, susidedančiais iš daugybės dalelių. Šie kūnai vadinami termodinaminėmis sistemomis. Termodinamikoje šiluminiai reiškiniai apibūdinami makroskopiniais dydžiais – slėgiu, temperatūra, tūriu, ..., kurie netaikomi atskiroms molekulėms ir atomams.

Teorinėje fizikoje kartu su fenomenologine termodinamika, tiriančia šiluminių procesų fenomenologiją, yra ir statistinė termodinamika, kuri buvo sukurta mechaniniam termodinamikai pagrįsti ir buvo viena pirmųjų statistinės fizikos šakų.

Termodinamika gali būti taikoma įvairioms mokslo ir technologijų temoms, tokioms kaip varikliai, fazių perėjimai, cheminės reakcijos, transporto reiškiniai ir net juodosios skylės. Termodinamika svarbi kitoms fizikos ir chemijos, chemijos inžinerijos, aviacijos ir kosmoso inžinerijos, mechanikos inžinerijos, ląstelių biologijos, biomedicinos inžinerijos, medžiagų mokslo sritims ir naudinga tokiose srityse kaip ekonomika.

11 bilietų ELEKTRODINAMIKA

Elektrodinamika- fizikos šaka, tirianti elektromagnetinį lauką pačiu bendriausiu atveju (tai yra, atsižvelgiama į nuo laiko priklausomus kintamuosius laukus) ir jo sąveiką su kūnais, turinčiais elektros krūvį (elektromagnetinė sąveika). Elektrodinamikos dalykas apima ryšį tarp elektrinių ir magnetinių reiškinių, elektromagnetinės spinduliuotės (įvairiomis sąlygomis, tiek laisvos, tiek įvairiais sąveikos su medžiaga atvejais), elektros srovės (paprastai kalbant, kintamoji) ir jos sąveikos su elektromagnetiniu lauku (elektros srovė). galima laikyti, kai tai yra tarsi judančių įkrautų dalelių rinkinys). Bet kokia elektrinė ir magnetinė sąveika tarp įkrautų kūnų šiuolaikinėje fizikoje laikoma vykstančia per elektromagnetinį lauką, todėl ji taip pat yra elektrodinamikos objektas.

Dažniausiai pagal terminą elektrodinamika pagal nutylėjimą yra suprantamas klasikinis elektrodinamika, apibūdinanti tik nuolatines elektromagnetinio lauko savybes per Maksvelo lygčių sistemą; šiuolaikinei kvantinei elektromagnetinio lauko ir jo sąveikos su įkrautomis dalelėmis teorijai žymėti paprastai vartojamas stabilus terminas. kvantinė elektrodinamika.

12 bilietas SIMETRIJOS GAMTOS MOKSLO SAMPRATA

Emmy Noether teorema teigia, kad kiekviena ištisinė fizinės sistemos simetrija atitinka tam tikrą išsaugojimo dėsnį. Taigi energijos tvermės dėsnis atitinka laiko homogeniškumą, judesio tvermės dėsnį – erdvės vienalytiškumą, kampinio momento likimo dėsnį – erdvės izotropiją, elektros krūvio tvermės dėsnį – matuoklio simetriją ir kt. .

Teorema paprastai formuluojama sistemoms, kurios turi veikimo funkcinę funkciją, ir išreiškia Lagranžo invarianciją tam tikros nuolatinės transformacijų grupės atžvilgiu.

Teorema buvo nustatyta Getingeno mokyklos mokslininkų darbuose D. Gilberta, F. KleinaiE. Niekas. Labiausiai paplitusią formulę įrodė Emmy Noether 1918 m.

Matematikoje ir moksle aptinkami simetrijų tipai:

dvišalė simetrija – simetrija veidrodinio atspindžio atžvilgiu. (Dvišalė simetrija)

n-osios eilės simetrija – simetrija 360°/n sukimosi kampo aplink bet kurią ašį atžvilgiu.

Aprašė grupė Zn.

ašinė simetrija (radialinė simetrija, radialinė simetrija) - simetrija sukimosi atžvilgiu savavališku kampu aplink bet kurią ašį. Apibūdinta grupėsSO(2).

sferinė simetrija – simetrija sukimųsi trimatėje erdvėje atžvilgiu savavališkais kampais. Apibūdinta SO(3) grupės. Vietinė erdvės ar terpės sferinė simetrija dar vadinama izotropija.

sukimosi simetrija yra dviejų ankstesnių simetrijų apibendrinimas.

transliacinė simetrija – simetrija erdvės atžvilgiu pasislenka bet kuria kryptimi tam tikru atstumu.

Lorenco invariancija – simetrija savavališkų pasukimų atžvilgiu Minkovskio erdvėlaikyje.

matuoklio invariancija – matuoklių teorijų lygčių formos nepriklausomumas kvantinio lauko teorijoje (ypač Yang-Mills teorijose) atliekant matuoklio transformacijas.

supersimetrija – teorijos dėl bozonų pakeitimo fermionais simetrija.

didesnė simetrija – simetrija grupės analizėje.

kinosimetrija – elektroninės konfigūracijos reiškinys (terminą įvedė jį atradęs S. A. Ščukarevas), lemiantis antrinį periodiškumą (atrado E. V. Bironas).

13 bilietų aptarnavimo punktas(Specialioji reliatyvumo teorijaŠIMTAS ; Taip pat) – teorija, aprašanti judesį, mechanikos dėsnius ir erdvės ir laiko santykius savavališkais judėjimo greičiais, mažesniais už šviesos greitį vakuume, įskaitant artimus šviesos greičiui. Pagal specialiąją reliatyvumo teoriją klasikinė Niutono mechanika yra mažo greičio aproksimacija. STR apibendrinimas gravitaciniams laukams vadinamas bendruoju reliatyvumu.

Fizinių procesų eigos nukrypimai nuo klasikinės mechanikos prognozių, aprašytų specialiosios reliatyvumo teorijos, vadinami reliatyvistiniai efektai, o greitis, kuriuo toks poveikis tampa reikšmingas, yra reliatyvistiniai greičiai.

14 bilietas OTO

Bendroji reliatyvumo teorija(GTO; vokiškai allgemeine Relativitätstheorie) yra geometrinė gravitacijos teorija, plėtojanti specialiąją reliatyvumo teoriją (STR), kurią 1915–1916 m. paskelbė Albertas Einšteinas. Bendrosios reliatyvumo teorijos rėmuose, kaip ir kitose metrinėse teorijose, postuluojama, kad gravitacinius efektus sukelia ne erdvėlaikyje esančių kūnų ir laukų jėgų sąveika, o paties erdvėlaikio deformacija, yra ypač susijęs su masės energijos buvimu. Bendroji reliatyvumo teorija skiriasi nuo kitų metrinių gravitacijos teorijų tuo, kad naudojant Einšteino lygtis erdvėlaikio kreivumą susieja su joje esančia medžiaga.

Bendroji reliatyvumo teorija šiuo metu yra sėkmingiausia gravitacijos teorija, gerai patvirtinta stebėjimais. Pirmoji bendrosios reliatyvumo teorijos sėkmė buvo paaiškinti anomalią Merkurijaus perihelio precesiją. Tada, 1919 m., Arthuras Eddingtonas pranešė apie visiško užtemimo momentu netoli Saulės besilenkiančios šviesos, kuri kokybiškai ir kiekybiškai patvirtino bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes. Nuo to laiko daugelis kitų stebėjimų ir eksperimentų patvirtino nemažai teorijos prognozių, įskaitant gravitacinį laiko išsiplėtimą, gravitacinį raudonąjį poslinkį, signalo vėlavimą gravitaciniame lauke ir kol kas tik netiesiogiai – gravitacinę spinduliuotę. Be to, daugybė stebėjimų interpretuojami kaip vienos paslaptingiausių ir egzotiškiausių bendrosios reliatyvumo teorijos prognozių – juodųjų skylių egzistavimo – patvirtinimas.

Nepaisant stulbinančios bendrosios reliatyvumo teorijos sėkmės, mokslo bendruomenė jaučia diskomfortą, pirmiausia susijusį su tuo, kad jos negalima performuluoti kaip klasikinės kvantinės teorijos ribos, ir, antra, su tuo, kad pati teorija nurodo. jo pritaikomumo ribas, nes jis numato nepašalinamų fizinių skirtumų atsiradimą, kai kalbama apie juodąsias skyles ir erdvės-laiko singuliarumus apskritai. Norint išspręsti šias problemas, buvo pasiūlyta keletas alternatyvių teorijų, kai kurios iš jų taip pat yra kvantinės. Tačiau šiuolaikiniai eksperimentiniai duomenys rodo, kad bet koks nukrypimas nuo bendrojo reliatyvumo turėtų būti labai mažas, jei jis apskritai egzistuoja.

15 bilietas VISATOS IŠPLĖTIMAS

Visatos plėtimasis- reiškinys, susidedantis iš beveik vienodo ir izotropinio išorinės erdvės plėtimosi visos Visatos mastu. Eksperimentiškai Visatos plėtimasis stebimas kaip Hablo dėsnio išsipildymas. Mokslas vadinamąjį Didįjį sprogimą laiko Visatos plėtimosi pradžia. Teoriškai reiškinį numatė ir pagrindė A. Friedmanas pradiniame bendrosios reliatyvumo teorijos kūrimo etape, remdamasis bendraisiais filosofiniais svarstymais apie Visatos homogeniškumą ir izotropiją.

Hablo dėsnis(visuotinio galaktikų recesijos dėsnis) – empirinis dėsnis, siejantis galaktikos raudonąjį poslinkį ir atstumą iki jų tiesiniu būdu:

Kur z- galaktikos raudonasis poslinkis, D- atstumas iki jo, H 0 yra proporcingumo koeficientas, vadinamas Hablo konstanta. Esant mažai vertei z tenkinama apytikslė lygybė cz = V r, Kur V r yra galaktikos greitis išilgai stebėtojo matymo linijos, c- šviesos greitis. Šiuo atveju įstatymas įgauna klasikinę formą:

Šis amžius yra būdingas Visatos plėtimosi laikas šiuo metu ir iki koeficiento 2 atitinka Visatos amžių, apskaičiuotą naudojant standartinį Friedmanno kosmologinį modelį.

16 bilietas FRIEDMAN MODELIS SINGULARITY

Friedmano visata(Friedman-Lemaître-Robertson-Walker metrika) yra vienas iš kosmologinių modelių, tenkinančių bendrosios reliatyvumo teorijos lauko lygtis, pirmasis iš nestacionarių Visatos modelių. Gavo Aleksandro Fridmano 1922 m. Friedmano modelis apibūdina vienalytę izotropinę medžiagą nestacionarus Visata su medžiaga, kurios kreivumas yra teigiamas, nulinis arba neigiamas. Šis mokslininko darbas tapo pagrindine bendrosios reliatyvumo teorijos raida po Einšteino darbų 1915–1917 m.

gravitacinis singuliarumas- erdvėlaikio sritis, per kurią neįmanoma pratęsti geodezinės linijos. Dažnai joje erdvės ir laiko kontinuumo kreivumas pasisuka į begalybę arba metrika turi kitų patologinių savybių, kurios neleidžia fiziškai interpretuoti (pvz. kosmologinis singuliarumas- Visatos būsena pradiniu Didžiojo sprogimo momentu, kuriai būdingas begalinis medžiagos tankis ir temperatūra);

17 bilietas DIDŽIOJO SPĖGIMO TEORIJA

CMB spinduliuotė(arba kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė anglų kalba kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė) - kosminė elektromagnetinė spinduliuotė, turinti aukštą izotropijos laipsnį ir spektrą, būdingą absoliučiai juodam kūnui, kurio temperatūra yra 2,725 K.

Kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės egzistavimas teoriškai buvo prognozuojamas Didžiojo sprogimo teorijos rėmuose. Nors daugelis pradinės Didžiojo sprogimo teorijos aspektų dabar buvo peržiūrimi, pagrindai, leidę numatyti reliktinės spinduliuotės temperatūrą, liko nepakitę. Manoma, kad reliktinė spinduliuotė buvo išsaugota nuo pradinių Visatos egzistavimo etapų ir užpildo ją tolygiai. Jo egzistavimas buvo eksperimentiškai patvirtintas 1965 m. Kartu su kosmologiniu raudonuoju poslinkiu, kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė laikoma vienu iš pagrindinių Didžiojo sprogimo teorijos patvirtinimų.

Didysis sprogimas(anglų kalba) Didysis sprogimas) yra kosmologinis modelis, apibūdinantis ankstyvą Visatos raidą, būtent Visatos plėtimosi pradžią, prieš kurią Visata buvo singuliarinėje būsenoje.

Paprastai dabar mes automatiškai sujungiame Didžiojo sprogimo teoriją ir karštosios Visatos modelį, tačiau šios sąvokos yra nepriklausomos ir istoriškai taip pat buvo šaltos pradinės Visatos, esančios šalia Didžiojo sprogimo, koncepcija. Toliau svarstomas Didžiojo sprogimo teorijos ir karštosios Visatos teorijos derinys, paremtas kosminės mikrobangų foninės spinduliuotės egzistavimu.

18 bilietas KOSMINIS VAKUUMAS

Vakuuminis(lot. vakuumas- tuštuma) - erdvė be materijos. Inžinerinėje ir taikomojoje fizikoje vakuumas suprantamas kaip terpė, kurios slėgis gerokai mažesnis už atmosferos slėgį. Vakuumas apibūdinamas ryšiu tarp laisvo dujų molekulių kelio ilgio λ ir būdingo terpės dydžio d. Pagal d Priklausomai nuo santykio λ/ reikšmės, gali būti paimtas atstumas tarp vakuuminės kameros sienelių, vakuuminio vamzdyno skersmuo ir kt. d Yra žemas (), vidutinis () ir didelis () vakuumas.

Būtina atskirti sąvokas fizinis vakuumas Ir techninis vakuumas.

19 bilietas KVANTINĖ MECHANIKA

Kvantinė mechanika- teorinės fizikos šaka, apibūdinanti fizikinius reiškinius, kurių veiksmo mastas yra panašus į Planko konstantą. Kvantinės mechanikos prognozės gali labai skirtis nuo klasikinės mechanikos prognozių. Kadangi Planko konstanta yra labai maža reikšmė, palyginti su kasdienių objektų poveikiu, kvantiniai efektai paprastai atsiranda tik mikroskopinėse skalėse. Jei fizinis sistemos veiksmas yra daug didesnis nei Planko konstanta, kvantinė mechanika organiškai virsta klasikine mechanika. Savo ruožtu kvantinė mechanika yra kvantinio lauko teorijos nereliatyvistinė aproksimacija (ty mažų energijų aproksimacija, palyginti su likusia masyvių sistemos dalelių energija).

Klasikinė mechanika, gerai apibūdinanti sistemas makroskopiniu mastu, nepajėgi apibūdinti reiškinių atomų, molekulių ir elektronų-vifotonų lygiu. Kvantinė mechanika tinkamai apibūdina pagrindines atomų, jonų, molekulių, kondensuotų medžiagų ir kitų sistemų, turinčių elektronų-branduolinę struktūrą, savybes ir elgesį. Kvantinė mechanika taip pat gali apibūdinti elektronų, fotonų ir kitų elementariųjų dalelių elgseną, tačiau tikslesnis reliatyvistiškai nekintamas elementariųjų dalelių transformacijų aprašymas yra sukonstruotas kvantinio lauko teorijos rėmuose. Eksperimentai patvirtina rezultatus, gautus naudojant kvantinę mechaniką.

Pagrindinės kvantinės kinematikos sąvokos yra stebimojo ir būsenos sąvokos.

Pagrindinės kvantinės dinamikos lygtys yra Schrödingerio lygtis, von Neumann lygtis, Lindblado lygtis, Heisenbergo lygtis ir Pauli lygtis.

Kvantinės mechanikos lygtys yra glaudžiai susijusios su daugeliu matematikos šakų, įskaitant: operatorių teoriją, tikimybių teoriją, funkcinę analizę, operatorių algebras, grupių teoriją.

Visiškai juodas kūnas- fizinis idealizavimas, naudojamas termodinamikoje, kūnas, kuris sugeria visą elektromagnetinę spinduliuotę, patenkančią į jį visuose diapazonuose ir nieko neatspindi. Nepaisant pavadinimo, pats juodas kūnas gali skleisti bet kokio dažnio elektromagnetinę spinduliuotę ir vizualiai turėti spalvą. Juodo kūno spinduliavimo spektrą lemia tik jo temperatūra.

Absoliučiai juodo kūno svarba sprendžiant bet kokių (pilkų ir spalvotų) kūnų šiluminės spinduliuotės spektro klausimą apskritai, be to, kad jis reprezentuoja paprasčiausią nebanalų atvejį, taip pat slypi tame, kad klausimas bet kokios spalvos kūnų pusiausvyrinės šiluminės spinduliuotės spektro ir atspindžio koeficiento, klasikinės termodinamikos metodais redukuojama iki absoliučiai juodo kūno spinduliavimo klausimo (ir istoriškai tai buvo padaryta jau XIX a. pabaigoje, kai iškilo absoliučiai juodo kūno spinduliavimo problema).

Juodiausios tikrosios medžiagos, pavyzdžiui, suodžiai, sugeria iki 99% krintančios spinduliuotės (tai yra, jų albedo yra 0,01) matomoje bangos ilgio diapazone, tačiau infraraudonąją spinduliuotę jos sugeria daug blogiau. Tarp Saulės sistemos kūnų Saulė turi daugiausia absoliučiai juodo kūno savybių.

Šį terminą 1862 m. įvedė Gustavas Kirchhoffas.

20 bilietų KVANTINĖS MECHANIKOS PRINCIPAI

Visas šiuolaikinės fizikos problemas galima suskirstyti į dvi grupes: klasikinės fizikos problemas ir kvantinės fizikos problemas Tiriant įprastų makroskopinių kūnų savybes, beveik niekada nesusiduriama su kvantinėmis problemomis, nes kvantinės savybės tampa pastebimos tik mikropasaulyje. Todėl XIX amžiaus fizika, tyrinėjusi tik makroskopinius kūnus, visiškai nežinojo apie kvantinius procesus. Tai klasikinė fizika. Klasikinei fizikai būdinga tai, kad ji neatsižvelgia į materijos atominę struktūrą. Šiais laikais eksperimentinės technologijos plėtra taip plačiai išplėtė mūsų pažinties su gamta ribas, kad dabar žinome ir labai detaliai – tikslias atskirų atomų ir molekulių detales. Šiuolaikinė fizika tiria materijos atominę struktūrą, taigi ir senosios klasikinės XIX amžiaus fizikos principus. turėjo keistis pagal naujus faktus ir keistis radikaliai. Šis principų pasikeitimas yra perėjimas prie kvantinės fizikos

21 bilietas WAVE YPATINGAS DUALIZMAS

Dalelių-bangų dualizmas- principas, pagal kurį bet koks objektas gali turėti bangų ir korpuso savybes. Jis buvo pradėtas plėtoti kvantinei mechanikai, siekiant interpretuoti mikropasaulyje stebimus reiškinius klasikinių sąvokų požiūriu. Tolesnis bangų ir dalelių dvilypumo principo plėtojimas buvo kvantuotų laukų samprata kvantinio lauko teorijoje.

Kaip klasikinis pavyzdys, šviesa gali būti aiškinama kaip ląstelių (fotonų) srautas, kuris daugelyje fizinių efektų pasižymi elektromagnetinių bangų savybėmis. Šviesos bangos savybės difrakcijos ir trukdžių reiškiniuose yra panašios į šviesos bangos ilgį. Pavyzdžiui, net vienišas fotonai, praeinantys per dvigubą plyšį, sukuria ekrane trukdžių modelį, kurį nustato Maksvelo lygtys.

Tačiau eksperimentas rodo, kad fotonas nėra trumpas elektromagnetinės spinduliuotės impulsas, jo negalima padalyti į kelis pluoštus optiniais pluošto dalikliais, kaip aiškiai parodė prancūzų fizikų Grangier, Roger ir Aspe 1986 metais atliktas eksperimentas; . Korpuskulinės šviesos savybės pasireiškia fotoelektriniu ir Komptono efektu. Fotonas taip pat elgiasi kaip dalelė, kurią skleidžia arba visiškai sugeria objektai, kurių matmenys yra daug mažesni už jo bangos ilgį (pavyzdžiui, atomo branduoliai) arba paprastai gali būti laikomi taškiniais (pavyzdžiui, elektronas).

Šiuo metu bangos ir dalelės dvilypumo samprata yra tik istorinė svarba, nes ji pasitarnavo tik kaip interpretacija, būdas apibūdinti kvantinių objektų elgseną, parenkant jai analogijas iš klasikinės fizikos. Tiesą sakant, kvantiniai objektai nėra nei klasikinės bangos, nei klasikinės dalelės, įgyjančios pirmosios ar antrosios savybes tik pagal tam tikrą apytikslį. Metodologiškai teisingesnis yra kvantinės teorijos formulavimas per kelio integralus (propagatorių), nenaudojant klasikinių sąvokų.

22 bilietas ATOMO STRUKTŪROS SAMPRATA

Tomsono atominis modelis(modelis „Pudingas su razinomis“, angl. Slyvų pudingo modelis).J.

J. Tomsonas pasiūlė atomą laikyti kažkokiu teigiamai įkrautu kūnu, kurio viduje yra uždengti elektronai. Tai galiausiai paneigė Rutherfordas po savo garsiojo eksperimento dėl alfa dalelių sklaidos.

Ankstyvasis Nagaokos planetinis atominis modelis.

1911 m. Ernestas Rutherfordas, atlikęs daugybę eksperimentų, padarė išvadą, kad atomas yra tam tikra planetų sistema, kurioje elektronai juda orbitomis aplink sunkų teigiamai įkrautą branduolį, esantį atomo centre („Rutherfordo atomas“). modelis). Tačiau toks atomo aprašymas prieštarauja klasikinei elektrodinamikai. Faktas yra tas, kad pagal klasikinę elektrodinamiką elektronas, judėdamas dideliu pagreičiu, turėtų skleisti elektromagnetines bangas ir dėl to prarasti energiją. Skaičiavimai parodė, kad laikas, per kurį elektronas tokiame atome patenka į branduolį, yra visiškai nereikšmingas. Atomų stabilumui paaiškinti Nielsas Bohras turėjo įvesti postulatus, kurie susivedė į tai, kad elektronas atome, būdamas tam tikrose energijos būsenose, neišskiria energijos („Bohr-Rutherfordo atomo modelis“).

Bohro postulatai parodė, kad klasikinė mechanika atomui apibūdinti netaikoma.

Tolesnis atominės spinduliuotės tyrimas paskatino sukurti kvantinę mechaniką, kuri leido paaiškinti didžiąją daugumą pastebėtų faktų.

Atom(išsamiai graikiškai: ἄτομος – nedalomas) – mažiausia chemiškai nedaloma cheminio elemento dalis, kuri yra jo savybių nešėja.

Atomas susideda iš atomo branduolio ir elektronų.

Atomo branduolį sudaro teigiamai įkrauti protonai ir neįkrauti neutronai.

Jei protonų skaičius branduolyje sutampa su elektronų skaičiumi, tada atomas kaip visuma yra elektriškai neutralus.

Priešingu atveju jis turi teigiamą arba neigiamą krūvį ir vadinamas jonu.

Atomai skirstomi pagal protonų ir neutronų skaičių branduolyje: pagal protonų skaičių nustatoma, ar atomas priklauso tam tikram cheminiam elementui, o neutronų skaičius – to elemento izotopą.

Įvairių tipų atomai skirtingais kiekiais, sujungti tarpatominiais ryšiais, sudaro molekules. 23 bilietas PAGRINDINĖS SĄVEIKOS.

Vykdomos kitų tipų fundamentinių sąveikų paieškos – tiek mikropasaulio reiškiniuose, tiek kosminiuose masteliuose, tačiau kol kas jokios kitos fundamentalios sąveikos rūšys nebuvo atrastos.

Fizikoje mechaninė energija skirstoma į dvi rūšis – potencialią kinetinę energiją. Kūnų judėjimo kitimo (kinetinės energijos pokyčių) priežastis – jėga (potenciali energija) (žr. antrąjį Niutono dėsnį, tyrinėdami mus supantį pasaulį, galime pastebėti daug įvairių jėgų: gravitaciją, sriegio įtempimą, spyruoklės suspaudimo jėgą). , kūnų susidūrimo jėga , trinties jėga, oro pasipriešinimo jėga, sprogimo jėga ir kt. Tačiau išsiaiškinus materijos atominę struktūrą paaiškėjo, kad visa šių jėgų įvairovė yra atomų sąveikos tarpusavyje rezultatas. . Kadangi pagrindinis tarpatominės sąveikos tipas yra elektromagnetinis, paaiškėja, kad dauguma šių jėgų yra tik įvairios elektromagnetinės sąveikos apraiškos. Viena iš išimčių yra, pavyzdžiui, gravitacijos jėga, kurios priežastis – gravitacinė kūnų sąveika su mase.

24 bilietas ELEMENTARY DALELĖS IR JŲ SAVYBĖS

Elementarioji dalelė- kolektyvinis terminas, nurodantis subbranduolinio masto mikroobjektus, kurių negalima suskirstyti į sudedamąsias dalis.

Reikėtų nepamiršti, kad kai kurios elementarios dalelės (elektronas, fotonas, kvarkai ir kt.) šiuo metu laikomos bestruktūrėmis ir yra laikomos pirminėmis. pagrindinės dalelės. Kitos elementarios dalelės (vadinamosios sudėtinės dalelės-protonai, neutronai ir kt.) turi sudėtingą vidinę struktūrą, tačiau, remiantis šiuolaikinėmis koncepcijomis, jų neįmanoma atskirti į dalis (žr. Apribojimas).

Elementariųjų dalelių sandarą ir elgseną tiria dalelių fizika.

Pagrindinis straipsnis:Kvarkai

Kvarkai ir antikvarkai niekada nebuvo atrasti laisvoje būsenoje – tai paaiškinama uždarumo reiškiniu. Remiantis leptonų ir kvarkų simetrija, pasireiškiančia elektromagnetine sąveika, keliamos hipotezės, kad šios dalelės susideda iš fundamentalesnių dalelių – preonų.

25 bilietas BIFURKAVIMO SAMPRATA.BIFURKAVIMO TAŠKAS

Bifurkacija – tai naujos dinaminės sistemos judesių kokybės įgijimas su nedideliu jos parametrų pasikeitimu.

Pagrindinė bifurkacijos teorijos samprata yra (ne)šiurkščios sistemos samprata (žr. toliau). Imame bet kurią dinaminę sistemą ir laikome tokią (kelių)parametrų dinaminių sistemų šeimą, kad pradinė sistema gaunama kaip ypatingas atvejis – bet kuriai vienai parametro (parametrų) reikšmei. Jei parametrų reikšmės yra pakankamai artimos duotajai, išsaugomas kokybinis fazių erdvės padalijimo į trajektorijas vaizdas, tada tokia sistema vadinama šiurkštus. Priešingu atveju, jei tokios kaimynystės nėra, tada sistema iškviečiama ne grubus.

Taigi parametrų erdvėje atsiranda grubių sistemų regionai, kuriuos skiria paviršiai, susidedantys iš nešiurkščių sistemų. Bifurkacijų teorija tiria kokybinio vaizdo priklausomybę nuo nuolatinio parametro kitimo išilgai tam tikros kreivės. Vadinama schema, pagal kurią keičiasi kokybinis vaizdas bifurkacijos diagrama.

Pagrindiniai bifurkacijos teorijos metodai yra perturbacijos teorijos metodai. Visų pirma tai taikoma mažų parametrų metodas(Pontriagina).

Bifurkacijos taškas- nustatyto sistemos darbo režimo pakeitimas. Terminas iš nepusiausvyros termodinamikos ir sinergetikos.

Bifurkacijos taškas- kritinė sistemos būsena, kai sistema tampa nestabili, palyginti su svyravimais, ir atsiranda neapibrėžtumas: ar sistemos būsena taps chaotiška, ar ji pereis į naują, labiau diferencijuotą ir aukštą tvarkos lygį. Terminas iš saviorganizacijos teorijos.

26 bilietas SINERGETIKAS – MOKSLAS APIE ATVIRUS SAVIORGANIZAVIMO SISTEMUS

Sinergetika(senovės graikų συν - priešdėlis, reiškiantis suderinamumą, o ἔργον - „veikla“) yra tarpdisciplininė mokslinių tyrimų sritis, kurios užduotis yra tirti gamtos reiškinius ir procesus, remiantis sistemų savarankiško organizavimo principais. (sudarytas iš posistemes). „...Mokslas, tiriantis saviorganizacijos procesus ir pačios įvairiausios prigimties struktūrų atsiradimą, išlaikymą, stabilumą ir irimą...“.

Sinergetika iš pradžių buvo deklaruojama kaip tarpdisciplininis požiūris, nes saviorganizavimosi procesų principai atrodo vienodi (nepriklausomai nuo sistemų pobūdžio), o joms apibūdinti turėtų tikti bendras matematinis aparatas.

Ideologiniu požiūriu sinergetika kartais pozicionuojama kaip „pasaulinis evoliucionizmas“ arba „universali evoliucijos teorija“, kuri suteikia vieningą pagrindą apibūdinti bet kokių naujovių atsiradimo mechanizmus, kaip kadaise kibernetika buvo apibrėžiama kaip „universalioji“. valdymo teorija“, vienodai tinka apibūdinti bet kokias reguliavimo ir optimizavimo operacijas: gamtoje, technologijoje, visuomenėje ir pan., ir tt Tačiau laikas parodė, kad bendras kibernetinis požiūris nepateisino visų į jį dedamų vilčių. Taip pat kritikuojamas platus sinergetinių metodų pritaikomumo aiškinimas.

Pagrindinė sinergijos samprata yra struktūros kaip apibrėžimas valstybė, atsirandantis dėl daugialypio ir dviprasmiško tokių kelių elementų struktūrų ar daugiafaktorių aplinkos elgesio, kuris nenusileidžia iki uždarų sistemų termodinaminio vidurkinimo standarto tipo, bet vystosi dėl atvirumo, energijos antplūdžio iš išorės. , vidinių procesų netiesiškumas, specialių režimų atsiradimas su daugiau nei vienos stabilios būsenos buvimo paūmėjimais. Nurodytose sistemose netaikomas nei antrasis termodinamikos dėsnis, nei Prigožino teorema apie minimalų entropijos susidarymo greitį, todėl gali susidaryti naujos struktūros ir sistemos, įskaitant sudėtingesnes už pradines.

Šį reiškinį sinergetika interpretuoja kaip universalų evoliucijos krypties mechanizmą, stebimą visur gamtoje: nuo elementaraus ir primityvaus iki sudėtingesnio ir tobulesnio.

Kai kuriais atvejais naujų struktūrų formavimasis turi taisyklingą banginį pobūdį, tada jie vadinami autobanginiais procesais (pagal analogiją su savaiminiais virpesiais).

27 bilietas GYVENIMO SAMPRATA GYVENIMO KILMĖS PROBLEMA

Gyvenimas- aktyvi medžiagos egzistavimo forma, tam tikra prasme aukštesnė už jos fizines ir chemines egzistavimo formas; ląstelėje vykstančių fizikinių ir cheminių procesų visuma, leidžianti keistis medžiagomis ir dalytis. Pagrindinis gyvosios medžiagos požymis yra genetinė informacija, naudojama replikacijai. Sąvoką „gyvenimas“ galima daugiau ar mažiau tiksliai apibrėžti tik išvardijant savybes, skiriančias ją nuo negyvenimo. Gyvybė už ląstelės ribų neegzistuoja tik po genetinės medžiagos perkėlimo į ląstelę; šaltinis nenurodytas 268 dienos] . Prisitaikydamas prie aplinkos, gyva ląstelė sudaro visą gyvų organizmų įvairovę.

Be to, žodis „gyvenimas“ reiškia atskiro organizmo egzistavimo laikotarpį nuo jo atsiradimo iki jo mirties (ontogenezės).

1860 m. prancūzų chemikas Louisas Pasteuras ėmėsi gyvybės kilmės problemos. Savo eksperimentais jis įrodė, kad bakterijos yra visur ir kad negyvos medžiagos gali būti lengvai užterštos gyvais daiktais, jei jos nėra tinkamai sterilizuotos. Mokslininkas vandenyje virė įvairias terpes, kuriose galėjo susidaryti mikroorganizmai. Papildomai verdant mikroorganizmai ir jų sporos žuvo. Pasteur pritvirtino sandarią kolbą laisvu galu prie S formos vamzdelio. Mikroorganizmų sporos nusėdo ant lenkto vamzdelio ir negalėjo prasiskverbti į maistinę terpę. Gerai išvirta maistinė terpė išliko sterili, nepaisant to, kad buvo suteikta prieiga prie oro.

Atlikęs daugybę eksperimentų, Pasteuras įrodė biogenezės teorijos pagrįstumą ir galiausiai paneigė spontaniškos generacijos teoriją.

28 bilietas OPARIN GYVENIMO KILMĖS SAMPRATA

1 PASKAITA

KLASIKINĖS MECHANIKOS ĮVADAS

Klasikinė mechanika tiria makroskopinių objektų, judančių daug mažesniu už šviesos greitį (=3 10 8 m/s), mechaninį judėjimą. Makroskopiniai objektai suprantami kaip objektai, kurių matmenys yra m (dešinėje – tipinės molekulės dydis).

Fizinės teorijos, tiriančios kūnų, kurių judėjimas vyksta daug mažesniu nei šviesos greitis, sistemas, priskiriamos nereliatyvistinėms teorijoms. Jeigu sistemos dalelių greičiai prilyginami šviesos greičiui, tai tokios sistemos priklauso reliatyvistinėms sistemoms ir turi būti aprašomos remiantis reliatyvistinėmis teorijomis. Visų reliatyvistinių teorijų pagrindas yra specialioji reliatyvumo teorija (STR). Jei tiriamų fizinių objektų dydžiai yra maži, tai tokios sistemos priskiriamos kvantinėms sistemoms, o jų teorijos priklauso kvantinių teorijų skaičiui.

Taigi klasikinė mechanika turėtų būti laikoma nereliatyvistine, nekvantine dalelių judėjimo teorija.

1.1 Atskaitos rėmai ir nekintamumo principai

Mechaninis judėjimas yra kūno padėties kitimas kitų kūnų atžvilgiu laikui bėgant erdvėje.

Erdvė klasikinėje mechanikoje laikoma trimate (norint nustatyti dalelės padėtį erdvėje, reikia nurodyti tris koordinates), atsižvelgiant į Euklido geometriją (erdvėje galioja Pitagoro teorema) ir absoliučia. Laikas yra vienmatis, vienkryptis (kintantis iš praeities į ateitį) ir absoliutus. Erdvės ir laiko absoliutumas reiškia, kad jų savybės nepriklauso nuo materijos pasiskirstymo ir judėjimo. Klasikinėje mechanikoje teisingu pripažįstamas toks teiginys: erdvė ir laikas nesusiję vienas su kitu ir gali būti laikomi nepriklausomai vienas nuo kito.

Judėjimas yra santykinis, todėl norint jį apibūdinti, reikia pasirinkti atskaitos įstaiga, t.y. kūnas, kurio atžvilgiu laikomas judėjimas. Kadangi judėjimas vyksta erdvėje ir laike, jam apibūdinti reikėtų pasirinkti vieną ar kitą koordinačių sistemą ir laikrodį (aritmetizuoti erdvę ir laiką). Dėl erdvės trimačio kiekvienas jos taškas yra susietas su trimis skaičiais (koordinatėmis). Vienos ar kitos koordinačių sistemos pasirinkimą dažniausiai lemia nagrinėjamos problemos būklė ir simetrija. Teorinėse diskusijose dažniausiai naudosime stačiakampę Dekarto koordinačių sistemą (1.1 pav.).

Klasikinėje mechanikoje, norint matuoti laiko intervalus, dėl laiko absoliutumo pakanka vieno laikrodžio, pastatyto koordinačių sistemos pradžioje (šis klausimas bus išsamiai aptartas reliatyvumo teorijoje). Su šiuo kūnu susieti atskaitos kūnas ir laikrodžiai bei svarstyklės (koordinačių sistema). atskaitos sistema.

Supažindinkime su uždaros fizinės sistemos samprata. Uždara fizinė sistema yra materialių objektų sistema, kurioje visi sistemos objektai sąveikauja tarpusavyje, bet nesąveikauja su objektais, kurie nėra sistemos dalis.

Kaip rodo eksperimentai, šie nekintamumo principai galioja daugybei atskaitos sistemų.

Invariantiškumo principas erdvinių poslinkių atžvilgiu(erdvė yra vienalytė): procesų srautui uždaroje fizinėje sistemoje neturi įtakos jos padėtis atskaitos kūno atžvilgiu.

Invariantiškumo principas esant erdviniams sukimams(erdvė yra izotropinė): procesų srautui uždaroje fizinėje sistemoje neturi įtakos jos orientacija atskaitos kūno atžvilgiu.

Nekintamumo principas laiko poslinkių atžvilgiu(laikas vienodas): procesų eigai uždaroje fizinėje sistemoje neturi įtakos procesų pradžios laikas.

Nekintamumo principas po veidrodžio atspindžiais(erdvė yra veidrodinė simetriška): procesai, vykstantys uždarose veidrodinės simetrijos fizinėse sistemose, patys yra veidrodiniai simetriški.

Tos atskaitos sistemos, kurių atžvilgiu erdvė yra vienalytė, izotropinė ir veidrodinė simetriška, o laikas yra vienalytis, vadinamos inercinės atskaitos sistemos(ISO).

Pirmasis Niutono dėsnis teigia, kad ISO egzistuoja.

ISO yra ne vienas, o begalinis skaičius. Atskaitos sistema, kuri ISO atžvilgiu juda tiesiai ir tolygiai, pati bus ISO.

Reliatyvumo principas teigia, kad procesų eigai uždaroje fizinėje sistemoje neturi įtakos jos tiesus tolygus judėjimas atskaitos sistemos atžvilgiu; procesus aprašantys dėsniai skirtinguose ISO yra vienodi; patys procesai bus vienodi, jei pradinės sąlygos bus vienodos.

1.2 Klasikinės mechanikos pagrindiniai modeliai ir skyriai

Klasikinėje mechanikoje, aprašant realias fizines sistemas, įvedama nemažai abstrakčių sąvokų, atitinkančių tikrus fizinius objektus. Pagrindinės sąvokos apima: uždara fizinė sistema, materialus taškas (dalelė), absoliučiai standus kūnas, ištisinė terpė ir daugybė kitų.

Medžiagos taškas (dalelė)- kūnas, kurio matmenys ir vidinė struktūra apibūdinant jo judėjimą gali būti nepaisoma. Be to, kiekvienai dalelei būdingas specifinis parametrų rinkinys – masė, elektros krūvis. Materialaus taško modelyje neatsižvelgiama į struktūrines vidines dalelių charakteristikas: inercijos momentą, dipolio momentą, vidinį momentą (sukimą) ir kt. Dalelės padėtis erdvėje apibūdinama trimis skaičiais (koordinatėmis) arba spindulio vektoriumi. (1.1 pav.).

Absoliučiai tvirtas korpusas

Materialių taškų sistema, kurių atstumai judant nekinta;

Kūnas, kurio deformacijų galima nepaisyti.

Tikras fizinis procesas laikomas nenutrūkstama elementariųjų įvykių seka.

Elementarus renginys yra reiškinys, kurio erdvinis mastas ir trukmė nulinė (pavyzdžiui, kulka pataiko į taikinį). Įvykis apibūdinamas keturiais skaičiais – koordinatėmis; trys erdvinės koordinatės (arba spindulys – vektorius) ir viena laiko koordinatė: . Dalelės judėjimas vaizduojamas kaip nenutrūkstama šių elementariųjų įvykių seka: dalelės praėjimas per tam tikrą erdvės tašką tam tikru laiku.

Dalelių judėjimo dėsnis laikomas duotu, jei žinoma dalelės spindulio vektoriaus (arba trijų koordinačių) priklausomybė nuo laiko:

Priklausomai nuo tiriamų objektų tipo, klasikinė mechanika skirstoma į dalelių ir dalelių sistemų mechaniką, absoliučiai standaus kūno mechaniką ir ištisinių terpių mechaniką (tamprių kūnų mechanika, skysčių mechanika, aeromechanika).

Pagal sprendžiamų uždavinių pobūdį klasikinė mechanika skirstoma į kinematiką, dinamiką ir statiką. Kinematika tiria mechaninį dalelių judėjimą, neatsižvelgdama į priežastis, lemiančias dalelių judėjimo (jėgų) pobūdį. Sistemos dalelių judėjimo dėsnis laikomas duotu. Pagal šį dėsnį kinematikoje nustatomi dalelių judėjimo sistemoje greičiai, pagreičiai ir trajektorijos. Dinamika svarsto mechaninį dalelių judėjimą, atsižvelgdamas į priežastis, dėl kurių keičiasi dalelių judėjimo pobūdis. Jėgos, veikiančios tarp sistemos dalelių ir sistemos daleles iš kūnų, neįtrauktų į sistemą, laikomos žinomomis. Jėgų prigimtis klasikinėje mechanikoje neaptariama. Statika galima laikyti ypatingu dinamikos atveju, kai tiriamos sistemos dalelių mechaninės pusiausvyros sąlygos.

Pagal sistemų apibūdinimo metodą mechanika skirstoma į Niutono ir analitinę mechaniką.

1.3 Įvykio koordinačių transformacijos

Panagrinėkime, kaip transformuojasi įvykių koordinatės pereinant iš vieno ISO į kitą.

1. Erdvinis poslinkis. Šiuo atveju transformacijos atrodo taip:

Kur yra erdvinio poslinkio vektorius, kuris nepriklauso nuo įvykio numerio (indekso a).

2. Laiko poslinkis:

Kur yra laiko poslinkis.

3. Erdvinis sukimasis:

Kur yra be galo mažo sukimosi vektorius (1.2 pav.).

4. Laiko inversija (laiko apvertimas):

5. Erdvinė inversija (atspindys taške):

6. Galilėjaus transformacijos. Nagrinėjame įvykių koordinačių transformaciją pereinant iš vieno ISO į kitą, kuris juda pirmųjų atžvilgiu tiesia linija ir tolygiai greičiu (1.3 pav.):

Kur yra antras santykis postuluota(!) ir išreiškia laiko absoliutumą.

Erdvinių koordinačių transformacijos dešiniosios ir kairiosios dalių diferencijavimas laike, atsižvelgiant į absoliučią laiko prigimtį, naudojant apibrėžimą greitis, kaip spindulio vektoriaus išvestinė laiko atžvilgiu, sąlyga, kad =const, gauname klasikinį greičių pridėjimo dėsnį

Čia ypač reikėtų atkreipti dėmesį į tai, kad išvedant paskutinį ryšį būtina atsižvelgti į postulatą apie absoliučią laiko prigimtį.

Ryžiai. 1.2 pav. 1.3

Atskyrimas laiko atžvilgiu vėl naudojant apibrėžimą pagreitis, kaip greičio išvestinį laiko atžvilgiu, gauname, kad pagreitis yra vienodas skirtingų ISO atžvilgiu (nekintama Galilėjos transformacijų atžvilgiu). Šis teiginys matematiškai išreiškia klasikinės mechanikos reliatyvumo principą.

Matematiniu požiūriu 1-6 transformacijos sudaro grupę. Iš tiesų, šioje grupėje yra viena transformacija – identiška transformacija, atitinkanti perėjimo iš vienos sistemos į kitą nebuvimą; kiekvienai iš 1-6 transformacijų yra atvirkštinė transformacija, kuri perkelia sistemą į pradinę būseną. Daugybos (komponavimo) operacija pristatoma kaip nuoseklus atitinkamų transformacijų taikymas. Ypač pažymėtina, kad sukimosi transformacijų grupė nepaklūsta komutaciniam (komutavimo) dėsniui, t.y. yra ne Abelis. Visa 1-6 transformacijų grupė vadinama Galilėjos transformacijų grupe.

1.4 Vektoriai ir skaliarai

Vektorius yra fizikinis dydis, transformuojamas kaip dalelės spindulio vektorius ir apibūdinamas jo skaitine verte bei kryptimi erdvėje. Kalbant apie erdvinės inversijos veikimą, vektoriai skirstomi į tiesa(poliarinis) ir pseudovektoriai(ašinis). Erdvinės inversijos metu tikrasis vektorius keičia savo ženklą, pseudovektorius nesikeičia.

Skalariai apibūdinami tik jų skaitine verte. Kalbant apie erdvinės inversijos veikimą, skaliarai skirstomi į tiesa Ir pseudoskalarai. Esant erdvinei inversijai, tikrasis skaliaras nesikeičia, tačiau pseudoskaliaras keičia savo ženklą.

Pavyzdžiai. Dalelės spindulio vektorius, greitis ir pagreitis yra tikri vektoriai. Sukimosi kampo, kampinio greičio, kampinio pagreičio vektoriai yra pseudovektoriai. Dviejų tikrųjų vektorių sandauga yra pseudovektorius ir pseudovektoriaus kryžminė sandauga yra tikrasis vektorius. Dviejų tikrųjų vektorių skaliarinė sandauga yra tikrasis skaliaras, o tikrasis vektorius ir pseudovektorius yra pseudoskaliarinis.

Reikėtų pažymėti, kad vektoriaus arba skaliarinės lygybės atveju dešinėje ir kairėje esantys terminai turi būti to paties pobūdžio, atsižvelgiant į erdvinės inversijos veikimą: tikrieji skaliarai arba pseudoskalarai, tikrieji vektoriai arba pseudovektoriai.