Тема. Природа в движении, движение в природе.

Тема. Природа в движении, движение в природе.

Тема. Природа в движении, движение в природе.

Вопросы темы.

  • Механическое движение. Движение как перемещение.
  • Движение как распространение. Волны.
  • Движение тепла. Статистика хаоса и порядка.
  • Движение как качественное изменение: химические реакции; ядерные реакции.
  • Движение как перемещение.

    Что движется - объект или состояние?

    Чтобы пояснить, почему возникает такой вопрос, приведем сначала короткое стихотворение А.С. Пушкина "Движение".

    "Движенья - нет!" - сказал мудрец брадатый.
    Другой смолчал и стал пред ним ходить.
    Сильнее он не мог бы возразить.
    Хвалили все ответ замысловатый.
    Но, господа! Забавный случай сей
    Другой пример на память мне приводит:
    Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,
    Однако ж прав упрямый Галилей!

    В стихотворении речь идет о диспуте двух известных мыслителей античности Зенона и Демосфена. Первый утверждал отсутствие движения. В доказательство он приводил следующее логическое рассуждение. Пусть из лука выпущена стрела. При полете она последовательно проходит одну точку своей траектории за другой. Что значит - проходит? Это значит, что она там находится некоторое, пусть даже малое время в покое. Отсюда следует парадоксальный вывод: в любой (истинный, мгновенный) момент времени стрела неподвижна. "Движенья - нет".

    Вообще-то ответ Демосфена был не по правилам научного диспута о высокой материи. Он не стал обращаться к рациональной половине мышления и искать логическое обоснование. Он просто показал, как человек воспринимает движение интуитивно. Движение есть и это самодостаточный факт. Апория "стрела Зенона" в античности так и не была разрешена.

    В классической механике Ньютона постулируется противоположное Зенону утверждение: Движенье есть от сотворения Мира и всегда будет.

    Все объекты (тела, за которыми мы наблюдаем) движутся. Покой есть частный случай наблюдения в выделенной системе отсчета, которая сама движется вместе с объектом. Чтобы убедиться в движении объекта, необходимо конечное время наблюдения. Если стремится к нулю, то даже при громадной скорости, в пределе он будет иметь бесконечно малое смещение. То есть, будет "выглядеть" практически неподвижным.

    Этот феномен хорошо иллюстрирует съемка высокоскоростной кинокамерой. При просмотре фильма с обычной скоростью видно замедленное движение, например, пули, пробивающей резиновый шар с водой. С классической точки зрения следует спрашивать, как же движущееся тело может занимать точку пространства?

    Современное естествознание предпочитает рассматривать не движение объектов, а изменение их состояния. Для пояснения сути дела, рассмотрим некоторые примеры.

    Пример 1. Гирлянда огней.

    В новогоднем стихотворении С. Маршак верно подметил: "Как по лестнице, по елке огоньки взбегают ввысь". Мы наблюдаем движение объекта - огонька по неподвижной гирлянде. Для лестницы характерно определенное расстояние между ступенями. В гирлянде это расстояние между соседними лампочками. Поэтому движение огонька - дискретное.

    Можно определить среднюю скорость движения огонька за время пробега от низа до верха гирлянды. Но можно ли спросить: как движется огонек между соседними лампочками?

    Пример 2. Движение ионной вакансии.
    В электрическом поле по ряду положительно заряженных ионов Na+ в кристалле NaCl движется вакансия ( вакантное для иона место).

    Каждый из ионов смещается только до соседнего свободного узла. Вакансия же пробегает по всему ряду ионов. Объект, движение которого мы наблюдаем - вакантное состояние узла решетки. В отличие от первого примера, при смещении ионов пустое место непрерывно "перетекает" по цепочке.

    Пример 3. Игра "пятнадцать".

    В этом случае на 16 мест игрового поля одно остается свободным (вакантным). Передвигая в двух направлениях фишки, мы вызываем движение вакансии по всему полю. Каждый ход вызывает изменение состояния игрового поля.

    Примеры 2 и 3 иллюстрируют эстафетный механизм движения, когда сигнал или эстафетная палочка проходит весь путь за счет отдельных этапов. Подобным же образом движутся дырки в полупроводниках. (Термин дырка означает вакантное энергетическое состояние.)

    Пример 4.Экран дисплея.
    Все поле экрана дисплея разбито на небольшие клетки - пикселы, координаты которых целочисленны. Чтобы на черном поле экрана высветить один пиксел, необходимо направить в точку с его координатами электронный луч. Последовательность соседних пикселов образует линию.

    При построении графиков на экране мы наблюдаем переход отдельных пикселов из "выключенного" состояния (не светятся) во включенное. Если значения координат каждого пиксела стрелы по горизонтальной оси возрастут на единицу, то вся фигура сдвинется вправо на один почти незаметный шаг. Задав соответствующую программу, можно показать движение экранной (компьютерной) стрелы. Механического движения пикселов нет. Тем не менее, мы наблюдаем движение объекта - стрелы. Для него можно определить среднюю скорость движения по экрану.

    Чем вызвано перемещение наблюдаемого объекта? Изменением состояния последовательности пикселов. Поэтому описанию движения стрелы, как объекта, имеющего характеристики механического движения - траекторию и скорость, можно дать эквивалентное описание. Оно не будет использовать понятия механики. Вместо этого оно будет описывать изменения во времени состояния экрана компьютера.

    Приведенные примеры показывают следующее:

    1. Мы можем наблюдать движение не только материальных объектов (точек или тел), но и состояний. Это могут быть активные состояния элементов системы или даже "пустота" - вакансии в пространственном расположении элементов или вакансии в энергетических уровнях системы. В любом случае состояние оказывается информационно-значимым, выделенным.

    2. Движение состояний, в отличие от движения материальных точек, может быть дискретным. То есть, пространственно или энергетически разделенным.

    3. Иногда один и тот же процесс может быть описан двумя способами - как движение объекта и как движение состояния.

    Квантовая механика описывает движение электрона в атоме, как изменение состояния. При переходе электрона с одного энергетического уровня на другой изменяется состояние атома. Вопрос о том, как движется электрон между уровнями, равноценен вопросам о движении пиксела между выключенным состоянием и включенном, или о движении огонька между лампочками. Подобные вопросы просто не имеют физического содержания.

    Поэтому, движение электрона в атоме, то есть, связанного с ядром атома, мы рассматриваем как движение(эволюцию) состояния. Движение же свободного электрона, например, в электронно-лучевой трубке, проще и понятнее описывать как движение по траектории объекта с известными значениями массы и заряда.

    Движение тепла.

    Концепция необратимости.

    В основе термодинамики лежит различие между двумя типами процессов – обратимыми и необратимыми.

    Обратимый процесс может идти как в прямом, так и обратном направлении, и по возвращении системы в исходное состояние не происходит никаких изменений. Любой другой процесс называется необратимым.

    Известно, что законы классической механики обратимые. Термодинамика указала на существование необратимых процессов.

    Первое начало термодинамики ∆U= ∆Q-A, где U – внутренняя энергия тела, ∆Q – количество теплоты, A – работа.

    Изучение движения и превращения внутренней энергии составляет предметтермодинамики,а уравнение∆U= ∆Q-Aпредставляет собойматематическую записьпервого закона термодинамики, которыйне определяет направление протекания процессов в природе.

    Величина ∆U в отличие от ∆Q и A обладает одним важным свойством: если система переходит из одного состояния в другое (конечное), то изменение ее внутренней энергии ∆U не зависит от пути, по которому совершился этот переход, т.е. величина ∆U не зависит от того, с помощью каких именно процессов (из числа возможных) система перешла из начального в конечное состояние. Значение величины ∆U определяется только начальным и конечным состояниями. Величины, которые, подобно U, обладают указанным свойством, называются функциями состояния системы.

    Для описания движения объекта вводится система координат. Простейшее движение – движение материальной точки – описывается как изменение координат. Для описания движения сложных объектов необходимо описать движение каждой точки, на которые можно мысленно разбить объект.

    Законы классической (ньютоновской) механики утверждают, что движение системы, т.е. состояние системы в любой момент времени, полностью и однозначно определяется начальным состоянием системы и силами, действующими между телами системы.

    Этот вывод относится ко всем моментам времени, в том числе и к предшествующим моментам. Зная состояние любой системы в настоящий момент времени, можно определить состояние в любой предшествующий момент времени.

    Развитие естественных наук показало, что законы ньютоновской механики ограничены рамками макромира. В микромире все процессы имеют вероятностный, т.е. недетерминированный, характер. Следствием этого является недетерминированность большинства процессов, происходящих в микромире. Наблюдаемые детерминированные процессы в макромире являются скорее исключением, чем правилом.

    Контрольное задание. Лекционный словарик.

    Идеальный газ-

    Теплота-

    Работа-

    Внутренняя энергия-

    Функции состояния системы-

    Симметрия-

    Асимметрия –

    Стрела времени –

    Отметьте в материале лекции определения этим понятиям.

    Тема. Природа в движении, движение в природе.

    Вопросы темы.

  • Механическое движение. Движение как перемещение.
  • Движение как распространение. Волны.
  • Движение тепла. Статистика хаоса и порядка.
  • Движение как качественное изменение: химические реакции; ядерные реакции.
  • Движение как перемещение.

    Что движется - объект или состояние?

    Чтобы пояснить, почему возникает такой вопрос, приведем сначала короткое стихотворение А.С. Пушкина "Движение".

    "Движенья - нет!" - сказал мудрец брадатый.
    Другой смолчал и стал пред ним ходить.
    Сильнее он не мог бы возразить.
    Хвалили все ответ замысловатый.
    Но, господа! Забавный случай сей
    Другой пример на память мне приводит:
    Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,
    Однако ж прав упрямый Галилей!

    В стихотворении речь идет о диспуте двух известных мыслителей античности Зенона и Демосфена. Первый утверждал отсутствие движения. В доказательство он приводил следующее логическое рассуждение. Пусть из лука выпущена стрела. При полете она последовательно проходит одну точку своей траектории за другой. Что значит - проходит? Это значит, что она там находится некоторое, пусть даже малое время в покое. Отсюда следует парадоксальный вывод: в любой (истинный, мгновенный) момент времени стрела неподвижна. "Движенья - нет".

    Вообще-то ответ Демосфена был не по правилам научного диспута о высокой материи. Он не стал обращаться к рациональной половине мышления и искать логическое обоснование. Он просто показал, как человек воспринимает движение интуитивно. Движение есть и это самодостаточный факт. Апория "стрела Зенона" в античности так и не была разрешена.

    В классической механике Ньютона постулируется противоположное Зенону утверждение: Движенье есть от сотворения Мира и всегда будет.

    Все объекты (тела, за которыми мы наблюдаем) движутся. Покой есть частный случай наблюдения в выделенной системе отсчета, которая сама движется вместе с объектом. Чтобы убедиться в движении объекта, необходимо конечное время наблюдения. Если стремится к нулю, то даже при громадной скорости, в пределе он будет иметь бесконечно малое смещение. То есть, будет "выглядеть" практически неподвижным.

    Этот феномен хорошо иллюстрирует съемка высокоскоростной кинокамерой. При просмотре фильма с обычной скоростью видно замедленное движение, например, пули, пробивающей резиновый шар с водой. С классической точки зрения следует спрашивать, как же движущееся тело может занимать точку пространства?

    Современное естествознание предпочитает рассматривать не движение объектов, а изменение их состояния. Для пояснения сути дела, рассмотрим некоторые примеры.

    referatpyu.nugaspb.ru referatrpo.nugaspb.ru still.underref.ru sbk.deutsch-service.ru Главная Страница