Контрольная работа по «Концепциям современного естествознания»

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].