Контрольная работа по «Концепциям современного естествознания». 9

Содержание

Введение……………………………………………………………………………..3

1. Принцип эквивалентности………………………………………………………..5

1.1 Инертная и гравитационные массы…………………………………………….5

1.2 Принцип эквивалентности………………………………………………………5

2. Гравитационные  и инерциальные силы…………………………………………7

2.1. О природе гравитационных  сил………………………………………………..7

2.2 Особенности гравитационного  взаимодействия………………………………9

3. Основная идея общей  теории относительности: гравитация  как проявление метрических свойств  пространства – времени…………………………………...12

3.1 Время в разных  системах отсчета……………………………………………..12

3.2 Релятивистские эффекты………………………………………………………13

3.3 Масса покоя……………………………………………………………………..15

3.4 Масса энергии…………………………………………………………………..15

3.5 Гравитация массы………………………………………………………………16

Заключение………………………………………………………………………….18

Список использованной литературы……………………………………………...19

Введение

  В настоящее время  спектр научных исследований  в естествознании необыкновенно  широк. Помимо основных наук, таких  как физика, химия и биология  в систему естественных наук включается также и множество других – география, геология, астрономия, и даже науки, стоящие на границе между естественными и гуманитарными науками – например, психология. Экономистам не обойтись без знания географии и математики, философам – без основ натурфилософии, рестовраторы старинных картин прибегают к помощи современной химии и т.д.

В отличие от специальных  наук естествознание исследует одни и те же природные явления сразу  с позиций нескольких наук, «выискивая»  наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривает Природу как бы сверху

Изучение предметов  по отдельности – физики, химии  и биологии, – является лишь первой ступенью к познанию Природы во всей ее целостности, т.е. познанию ее законов  с общей естественно-научной позиции.

  Важнейшей задачей современного   естествознания   является   создание естественнонаучной картины мира. В процессе ее создания возникает  вопрос  о происхождении и изменении различных материальных продуктов и явлений, об  их количественных,  качественных  характеристиках.  Физические,  химические   и другие величины непосредственно связаны с изменением длин  и  длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Выделение и  фиксация во  времени  части  пространства  дает  состояние   объекта.   Упорядоченная последовательность  состояний   объекта  составляет  процесс  его   развития (жизни, существования)  во  времени

      Все   весомые  тела  взаимно  испытывают    тяготение,   эта   сила обуславливает движение планет вокруг солнца и спутников вокруг  планет. Теория гравитации, разработанная Эйнштейном, является величайшим достижением теоретической физики 20 века. В  течение столетий  развития  человечества  люди   наблюдали   явление   взаимного притяжения тел и измеряли  его  величину;  они  пытались  поставить  это явление себе на службу, превзойти его влияние, и наконец,  уже  в  самое последнее время рассчитывать  его  с  чрезвычайной  точностью  во  время первых шагов вглубь Вселенной.

1. Принцип эквивалентности

1.1 Инертная и гравитационная массы

Массу тела можно определить путем измерения испытываемого  телом ускорения под действием  известной силы:

Мин = F/a (1)

Определяемая таким  путем масса, обозначаемая Мин, известная под названием инертной массы. Массу можно также определить, измеряя силу ее тяготения к другому телу, например к Земле: GMгрМ3=F,

Мгр=FrІ/ GM3 (2)

Определяемая подобным способом масса, обозначаемая Мгр, носит  название гравитационной массы. В формулах (2) М3 – масса Земли.

Замечательно, что инертные массы всех тел в пределах точности измерений пропорциональны их гравитационным массам.

1.2 Принцип эквивалентности

Ни разу, ни при каких  условиях не было обнаружено никакого различия между инертной и гравитационной массами тела, наводит на мысль, что тяготение в известном смысле может быть эквивалентным ускорению.

Действия ускоренного  движения и силы тяжести полностью  взаимно уничтожаются. Наблюдатель, сидящий в закрытом лифте и регистрирующий силы, представляющие ему гравитационными, не может сказать, какая доля этих сил обусловлена ускорением и какая – действительными гравитационными силами. Он вообще не обнаружил никаких сил, если только на лифт не подействуют какие-либо другие (т.е. отличные от гравитационных0 силы. Постулированный принцип эквивалентности требует, в частности, чтобы отношение инертных масс к гравитационным удовлетворяло тождеству

Мин/Мгр = 1

«Невесомость» человека в спутнике на орбите является следствием принципа эквивалентности.

Поиски математических следствий принципа эквивалентности приводят к общей теории относительности.

2. Гравитационные  и инерциальные силы

2.1 О природе гравитационных сил

Сформулированный  Ньютоном закон всемирного тяготения  относится к фундаментальным  законам классического естествознания. Методологической слабостью концепции Ньютона был его отказ обсуждать механизмы, приводящие к возникновению гравитационных сил («Я гипотез не измышляю»). После Ньютона неоднократно предпринимались попытки создания теории гравитации.

Подавляющее большинство  подходов связано с так называемыми гидродинамическими моделями гравитации, пытающимися объяснить возникновение сил тяготения механическими взаимодействиями массивных тел с промежуточной субстанцией, которой приписывается то или иное название: «эфир», «поток гравитонов», «вакуум» и т.д. Притяжение между телами возникает вследствие разряжения Среды, возникающей либо при ее поглощении массивными телами, либо при экранировке ими ее потоков. Все эти теории имеют общий существенный недостаток: правильно предсказывая зависимость силы от расстояния, они неизбежно приводят к еще одному ненаблюдаемому эффекту: торможению тел, движущихся относительно введенной субстанции.

Существенно новый  шаг в развитии концепции гравитационного взаимодействия был сделан А. Эйнштейном, создавшим общую теорию относительности.

Ньютон: «Тяготение к Солнцу составляется из тяготения к отдельным частицам его и при удалении от Солнца убывает в точности пропорционально квадратам расстояний даже до орбиты Сатурна, что следует из покоя афелиев планет и даже до крайних афелиев комет, если только эти афелии находятся в покое» [2, с. 662]. Эта особенность гравитационного взаимодействия, приложенная к условиям внутри тела и приводит к убывающей зависимости гравитационной силы с уменьшением расстояния от центра тела.

Вторая проблема гравитационного  поля, связанная со стабильностью  взаимного положения небесных тел, тоже постепенно решалась, и в частности, большой шаг в направлении  её решения был сделан с одной  стороны Эддингтоном [3], а с другой стороны Френкелем [4, гл. 7], предположившими с различными вариациями возможность обобществления электронов атомов в ядрах звёзд при гравитационном сжатии. Более полно данная концепция с учётом особенностей гравитационного сжатия протозвёздного облака, описанного Шкловским (5). Причём данная концепция очень хорошо согласуется с поступающими новыми данными о небесных телах, как солнечной системы, так и дальних небесных объектов и главное, полностью снимает проблему неограниченного сжатия вещества вселенной. Ведь с учётом формирования электронного кокона звезды и ассоциации звёзд взаимное гравитационное притяжение удалённых горячих небесных тел эффективно компенсируется взаимным отталкиванием электронных оболочек этих тел, препятствуя, с одной стороны, неограниченному сжатию всего вещества вселенной, а с другой стороны препятствуя столкновению между звёздами и их ассоциациями, как и каннибализму галактик. Тем самым снимается проблема, которую видел в своей концепции ещё Ньютон.

Сформулированный Ньютоном закон всемирного тяготения стал одним из выдающихся достижений в области естествознания за всю историю его существования. Этот закон позволил на строгой научной основе подвести физическую базу под философско-космическими положениями о материальном единстве мира, всеобщей взаимосвязи всех природных явлений. Закон всемирного тяготения оказался одним из самых впечатляющих и вместе с тем загадочных основоположений теоретического естествознания.

Применение этого закона позволило добиться выдающихся успехов  в области небесной механики (предсказавшей «на кончике пера» существование ранее неизвестных планет) и астрофизики, космологии и практического освоения космического пространства, позволило летательным аппаратам и человеку преодолеть земное притяжение и осуществить прорыв в просторы Вселенной.

2.2 Особенности гравитационного взаимодействия

Особенность гравитационного  взаимодействия состоит в том, что  под действием силы гравитационной природы прироста полной энергии  пробного тела не происходит (т.е. полная энергия свободно падающего (и не излучающего!) пробного тела не меняется, оставаясь равной полной начальной энергии; перераспределяется лишь соотношение между его энергетическими компонентами). Если в самом начале движения полная энергия пробного тела соответствовала его массе покоя, то по мере разгона все большая её часть соответствует уже кинетической составляющей массы, которая появляется за счет уменьшения массы покоя. В этой особенности гравитационного действия заключены истоки принципиального различия между силами гравитации и инерции. Свойство инерции проявляет себя при непосредственном взаимодействии тел между собой, в результате чего любое тело, в зависимости от особенности взаимодействия и выбора системы отсчета наблюдателем, может, как получить дополнительную кинетическую энергию, либо утратить имеющуюся, передав её другим телам. Силы гравитационной природы способны перераспределять энергию из одного вида в другой в пределах данного тела: энергию покоя, внутреннюю энергию, поперечную кинетическую составляющую энергии – в продольную кинетическую энергетическую составляющую. В соответствии с перераспределением составляющих энергии изменяется импульс тела.

Величина, оказываясь продуктом  действия гравитационного поля, увеличивает  инерцию тела в направлении падения, но сама уже не подвержена влиянию гравитационного поля. Поле само по себе не в состоянии различить, является ли продуктом его действия, или результатом действия силы иной природы. Поэтому, независимо от происхождения, вполне резонно предположение, что на эту составляющую гравитационное поле влияния не оказывает.

При ощутимой относительной  доле продольной кинетической составляющей величина ускорения g будет отставать  от напряженности гравитационного  поля g. Сила, действующая на вертикально  падающее тело в g-поле, пропорциональна его массе покоя и составляет m0g.

Энергия, переносимая  фотоном, определяется исключительно  его кинетической энергией. Она может быть передана при непосредственном взаимодействии, что указывает на наличие у фотона инертных свойств и соответственно инертной массы. Гравитационная масса фотона не является постоянной величиной. В случае вертикально ориентированного свободного фотона (движение фотона параллельно вектору напряженности g-поля) g-поле на фотон не действует: гравитационная масса фотона равна нулю; массы покоя фотон также не имеет. Отсюда наблюдаемое «посинение» или «покраснение» фотона имеет своей причиной различный ход времени в системах «верхнего» и «нижнего» наблюдателей.

В связи с высказанными выше соображениями не будет излишним проявлять осторожность в выражении соответствия между массой объекта и полной его энергией. Не всякой энергетической составляющей соответствует гравитационная масса; возможно также, что в определенных случаях инертные свойства могут не соответствовать в точности их энергетическому потенциалу. Гравитационная масса объекта по отношению к любому другому гравитирующему объекту определяется сугубо индивидуально

Постоянство движения определяется существованием единой фундаментальной  константы гравитационной постоянной, или постоянной действия (взаимодействия). По величине оно должна быть равна кванту действия (постоянной Планка). Значение последней было подобрано для максимального соответствия расчетных и экспериментальных данных.

Неуничтожаемость и  постоянство движения должно означать постоянство передачи импульса при гравитационном взаимодействии.

Это означает, что гравитирующая (движущаяся) система должна за единицу  времени передать одинаковую энергию  движения определенному количеству систем в соответствии с законом сохранения импульса.

Гравитационное взаимодействие обладает определёнными характерными чертами, которые делают его непохожим  на другие взаимодействия (например, на электромагнитное).

Наиболее важные особенности  гравитации.

Во-первых, ускорение тела в гравитационном поле не зависит от его массы. Поэтому все тела движутся в гравитационном поле с одинаковым ускорением. С одной стороны, ускорение тела пропорционально действующей на него силе и, следовательно, пропорционально его гравитационной массе. Но с другой стороны, ускорение тела обратно пропорционально его инертной массе. Таким образом, как пишет Ричард Фейнман в своих лекциях по гравитации, «первый изумительный факт, связанный с гравитацией, заключается в том, что отношение инерциальной и гравитационной массы постоянно, где бы мы его не проверяли» [7; с. 62].

«Второй изумительный факт, связанный с гравитацией, заключается в том, что это взаимодействие очень слабое» [7; с. 62].

Существенной особенностью гравитации является и её универсальный характер – всё, что существует в природе, участвует в гравитационном взаимодействии. Кроме того, гравитация – это всегда только притяжение, а гравитационного отталкивания просто не существует.

И, наконец, можно отметить следующее. Законы, управляющие нашим миром, в самой своей основе – это законы квантовой механики. Иначе говоря, в фундаменте всех физических взаимодействий лежит принцип неопределённости.

Но ни закон тяготения  Ньютона, ни его модификация, сделанная  Эйнштейном в общей теории относительности, совершенно не учитывают этот фундаментальный принцип.

3. Основная идея общей теории относительности: гравитация как проявление метрических свойств пространства – времени

3.1 Время в разных системах отсчета

Последовательное рассмотрение следствий из постулатов СТО неизбежно приводит к анализу наиболее фундаментальных понятий физики: пространства и времени. Согласно классической механике время, сопутствующие определенному событию (Событие – физическое явление, происходящие в некоторой пространственной точке в определенный момент времени.), едино во всех системах отсчета (если не учитывать возможность изменять масштаб измерения времени или нуль его отсчета по своему выбору). Задав время, можно найти бесконечное множество одновременных событий, которым можно приписать одну и ту же временную координату. В классической механике достаточно одних часов, так как течение времени одинаково для всех наблюдателей во всех инерциальных системах отсчета. Такие понятия, как «теперь», «ранее», «позднее», «одновременно», имели абсолютное значение, независимое от выбора системы отсчета.

И если зададут вопрос: Одинаково ли время на 7- м и 1-м  этажах УГАЭС? Можно ответить, что  да.

Повседневный опыт дает основание для установления единого  и абсолютного хронологического порядка, одинакового для всего окружающего мира. Единое прошлое, настоящее и будущее существует, согласно классической механике, для всех возможных событий, где бы они ни происходили и каким бы образом ни наблюдались.

Сосуществование событий  в нашем чувственном восприятии не означает одновременности этих событий.

Глядя в окно на звездное небо, мы как бы зондируем прошлое  разной давности. Свет от Луны доходит  до Земли за 1,3 с, от Марса – за 5 мин, от Солнца – за 8 мин. Поэтому  такими, как мы их видим «теперь», Луна, Марс и Солнце были соответственно 1,3 с, 5 мин и 8 мин тому назад. Одни звезды так, как «теперь», выглядели несколько лет назад, другие – миллионы лет назад, третьи – сейчас существуют, но мы их не видим: свет от них к нам еще не успел дойти.

3.2 Релятивистские эффекты

Под релятивистскими  эффектами в теории относительности  понимают изменения пространственно-временных  характеристик тел при скоростях, соизмеримых со скоростью света.

В качестве примера обычно рассматривается космический корабль  типа фотонной ракеты, который летит в космосе со скоростью, соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:

1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. С ростом скорости растет и масса. Если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии (E= mc2). Сообщить телу бесконечную энергию невозможно.

2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем больше будет скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, и чем ближе она будет к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для неподвижного наблюдателя. При достижении кораблем скорости света его наблюдаемая длина будет равна нулю, чего быть не может. На самом же корабле космонавты этих изменений не будут наблюдать.

3. Замедление времени.  В космическом корабле, движущемся  со скоростью, близкой к скорости  света, время течет медленнее, чем у неподвижного наблюдателя.

Тоже самое можно  сказать и про время на остановке  и в движущемся трамвае. В трамвае  время будет идти медленнее, нежели на остановке.

В теории относительности  предложены принципиально новые  оценки пространственно-временных отношений между физическими объектами. В классической физике при переходе от одной инерциальной системы (№ 1) к другой (№ 2) время остается тем же – t2 = tL а пространственная координата изменяется по уравнению x2 = x1– vt. В теории относительности применяются так называемые преобразования Лоренца:

Из отношений видно, что пространственные и временные  координаты зависят друг от друга. Что  касается сокращения длины в направлении движения, то

а ход времени замедляется:

Самым замечательным, самым  красивым следствием специальной теории относительности, является, пожалуй, полученная Эйнштейном связь массы тела с его энергией. Изменение энергии тела всегда приводит к изменению его массы!

Благодаря этому выводу мы можем сразу сказать, например, что масса провода с током тяжелее массы обесточенного провода, так как, на провод с током передается энергия. Различие массы провода с током и массы обесточенного провода, конечно же, очень мало. В обычных условиях изменения в энергии приводят к очень малым изменениям в массе. Но в атомной бомбе с энергией взрыва, эквивалентной 20000000 кг тринитротолуола, весь пепел, осевший после взрыва, на 1 г легче первоначальной массы бомбы. Это объясняется как раз той огромной энергией, которая выделяется при взрыве.

3.3 Масса покоя

Покоящееся тело имеет определенную массу m0, называемой массой покоя.

Масса покоя – масса  тела в системе отсчета, относительно которой тело покоится. Чем больше масса тела, т.е. чем более оно  инертно, тем сильнее тело сопротивляется изменению движения.

Солнце является как бы гигантской гравитационной линзой, изменяющей ход светового луча. Гравитационная сила притяжения фотона к звезде пропорциональна его массе, поэтому искривление траектории светового луча зависит от массы фотона.

3.4 Масса и энергия

Чем больше масса и энергия тела, тем труднее изменить характер его движения. Для увеличения за определенное время скорости неподвижного сначала ящика, наполненного покоящимися шарами, требуется определенная мощность. Если шары в ящике будут двигаться во всех направлениях со скоростью, близкой к скорости света, то для аналогичного разгона ящика потребуется большая мощность. Возросшая кинетическая энергия шаров усиливает сопротивление движению ящика.

Согласно теории относительности  энергия тела пропорциональна его  массе:

Е = mcІ

Классическая механика разделяет и определяет два различных  вида материи: вещество и поле. Необходимым  атрибутом вещества является масса, а поля - энергия. Соответственно существуют два закона сохранения: закон сохранения массы и закон сохранения энергии.

Согласно теории относительности  нет существенного различия между  массой и энергией.

Огромным достижением этой теории является установленный ею факт эквивалентности массы и энергии. Однако речь идет не о превращении массы в энергию и наоборот, а о том, что превращение энергии из одного вида в другой соответствует переходу массы из одной формы в другую. Энергию нельзя заменить массой, так как энергия характеризует способность тела выполнять работу, а масса – меру инерции.

Вместо двух законов  сохранения есть только один: закон сохранения массы-энергии. Трудность формулировки этого закона в классической физике связана с тем, что энергия, с которой мы имеем дело в реальной жизни, соответствует очень малая масса. Согласно равенству: m = Е/сІ.

3.5 Гравитация массы

Конфуз японских космических аппаратов пытавшихся приземлиться на астероиды а так же некоторые другие эксперименты указывают на факт отсутствия расчетной силы гравитации. У малых масс она наблюдается в гораздо заниженных величинах. Некоторые просто утверждают что не во всех случаях наличие массы способно обеспечить наличие гравитации. И тому есть экспериментальные подтверждения. Я думаю что все не так критично, гравитация у массы есть всегда но ее сила гораздо меньше расчетной. Механизм тяготения остается неизменным, это эффект тени эфира, но в недрах масс обладающих реально ощутимой гравитацией существуют условия многократного увеличения непроницаемости вещества для космических эфирных излучений. Непроницаемость вещества усиливается только при увеличении скорости движения его фрагментов, что является признаком высокой температуры. Допускаю такую версию что именно высокотемпературное ядро космического объекта определяет силу гравитации многократно усиливая непроницаемость вещества по причине его высокой температуры. Проще говоря сильно нагретое тело представляет большее сопротивление для проникновения сквозь себя эфирного излучения и следовательно обладает большей массой и большим весом и большей гравитацией чем холодное. Проверка не так проста как это может сразу показаться, 1. не известно сколь высокая температура придает таковые свойства веществу, 2. гравитация усиливается прямо пропорционально увеличению непроницаемости, а вот вес только частично так как увеличивается влияние лучей эфира не только прижимающих к центру земли но и идущих сквозь нее снизу. 3. возможно ли воссоздать то давление которое существует в недрах.

Влияние температуры  на силу гравитации очень хорошо бы объясняло реально наблюдаемую  неравномерность силы гравитации на поверхности земли наличием разнотемпературных участков поверхности ядра.

Заключение

      Исходя из всего изложенного, можно сделать следующий вывод, что инертные массы всех тел в пределах точности измерений пропорциональны их гравитационным массам.

Сам факт их равенства и то, что все тела падают в гравитационном поле с одинаковым ускорением, называют принципом эквивалентности.

Принцип эквивалентности: неинерциальная система отсчета  эквивалентна некоторому гравитационному  полю.

Сформулированный Ньютоном закон всемирного тяготения стал одним из выдающихся достижений в области естествознания за всю историю его существования.

Существенной особенностью гравитации является и её универсальный характер – всё, что существует в природе, участвует в гравитационном взаимодействии. Кроме того, гравитация – это всегда только притяжение, а гравитационного отталкивания просто не существует.

В классической механике достаточно одних часов, так как  течение времени одинаково для  всех наблюдателей во всех инерциальных системах отсчета.

Огромным достижением этой теории является установленный ею факт эквивалентности массы и энергии.

Общая теория относительности  в корне изменила наши представления  о пространстве, времени, о Вселенной. Она привела к отказу от какого бы то ни было центризма.

Список использованной литературы:

1. Александров Г.Ф. Концепции современного естествознания. М., 2007
2. Засов А.В., Кононович Э.В. Астрономия: Атлас для общеобразовательных учреждений. М., 1996;
3. Звездочет (журнал). 1995–1997;
4. Земля и Вселенная (журнал). 1980–1997;
5. Знание – сила (журнал). 1960–1997;
6. Касьянов в.А. «Физика: учебное пособие», Из-во «Дрофа», 2002 г.
7. Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. В 3-х томах. Бишкек, 1994;
8. Нарликар Дж. Гравитация без формул. М., 1985;
9. Ч. Китель, У. Найт, М. Рудерман «Механика», Из-во «Наука», 1975 г.
10. Эйнштейн А. / / Собр. научных трудов В 4 Т.- М.: Наука, 1965. Т.1.