Естесственно научные основы инновационных технологий

— длина, выраженная в метрах (м);— масса, выраженная о килограммах |кг|;— время, выраженное в секундах [с], а также — сила электрического тока, выраженная в Амперах [А|;— термодинамическая температура, выраженная в градусах Кельвина [К];— сила света, выраженная в канделах [кд];— количество вещества, выраженное в молях [моль].

основными являются только три величины — метр, килограмм, секунда, поскольку только они соответствуют физическим инвариантам. Остальные все величины являются производными от них, в том числе электрические, световые, тепловые и физико-химические. Перевод этих величин в систему МКС (метр, килограмм, секунда) уже выполнен применительно к электрическим величинам и принципиально может быть выполнен применительно к остальным. Система измерений СИ, как наиболее отвечающая естественным всеобщим физическим инвариантам, принципиально не подлежит ревизии, а лишь последующим уточнениям, имеющим целью привести все физические единицы, включая электрические, тепловые, световые и химические, к трем основным единицам — килограмму, метру и секунде.

5.1) Концептуальные представления о материи, движении, пространстве и времени.

Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента. В основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность. Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы. Материя как объективная реальность включает в себя не только вещество в четырех его агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном, плазменном), но и физические поля (электромагнитное, гравитационное, ядерное и т. д.), а также их свойства, отношения, продукты взаимодействия. Входит в нее и антивещество (совокупность античастиц: позитрон, или антиэлектрон, антипротон, антинейтрон), недавно открытое наукой. Антивещество ни в коем случае не антиматерия. Антиматерии вообще быть не может. Дальше «не» (не-материи) отрицание здесь не идет. Движение и материя органически и нерасторжимо связаны друг с другом: нет движения без материи, как нет и материи без движения. Иначе говоря, нет в мире неизменных вещей, свойств и отношений. «Все течет», все изменяется. Одни формы или виды сменяются другими, переходят в другие – движение постоянно. Покой – диалектически исчезающий момент в беспрерывном процессе изменения, становления. Абсолютный покой равнозначен смерти, а вернее – несуществованию. Можно понять в данной связи А. Бергсона, рассматривавшего всю реальность как неделимую движущуюся непрерывность. Или А.Н.Уайтхеда, для которого «реальность есть процесс». И движение, и покой с определенностью фиксируются лишь по отношению к какой-то системе отсчета. Так, стол, за которым пишутся эти строки, покоен относительно данной комнаты, она, в свою очередь, - относительно данного дома, а сам дом – относительно Земли. Но вместе с Землей стол, комната и дом движутся вокруг земной оси и вокруг Солнца. Движущаяся материя существует в двух основных формах – в пространстве и во времени. Понятие пространства служит для выражения свойства протяженности и порядка сосуществования материальных систем и их состояний. Оно объективно, универсально (всеобщая форма) и необходимо. В понятии времени фиксируется длительность и последовательность смены состояний материальных систем. Время объективно, неотвратимо и необратимо. Следует различать философские и естественнонаучные представления о пространстве и времени. Собственно философский подход представлен здесь четырьмя концепциями пространства и времени: субстанциальной и реляционной, статической и динамической. Основоположником взгляда на материю, как состоящую из дискретных частиц был Демокрит. Мир доступной человеку объективной реальности постоянно расширяется. Концептуальные формы выражения идеи структурных уровней материи многообразны. Современная наука выделяет в мире три структурных уровня: Микро, Макро, Мега миры. Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с. Макромир — мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах. Мегамир — это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

5.2) Сущность процесса измерения.

Эксперимент осуществляется с помощью наблюдений и измерений.Наблюдения заключаются в сборе и анализе фактов без каких-либо специальных приспособлений. Измерения, напротив, требуют наличия технической базы, так как приходится сравнивать объект с эталоном.Измерение - операция сравнения определяемой величины исследуемого объекта с соответствующей величиной эталона.Прямые измерения. Определяемая величина сравнивается с единицей измерения непосредственно с помощью измерительного прибора.Косвенные измерения. Определяемая величина вычисляется по формуле, включающей результат прямых измерений.Всякое измерение неизбежно связано с погрешностями. Погрешность измерений — разность между полученным при измерении X' и истинным 0 значениями измеряемой величины. Погрешность измерения определяется формулой: = X' – Q.Погрешность измерений вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.Погрешности, связанные с несовершенством метода измерения, называют методическими. Эти погрешности вызваны неучетом в использованном методе измерений многих факторов, так или иначе искажающих измеряемую величину. Поскольку таких факторов бесчисленное множество, то в методике измерений должны быть учтены те, которые оказываются существенными для задачи, для которой производится измерение. Например, при измерении высоты с помощью барометрического высотомера оказывается необходимым учитывать изменение давления на земле при посадке самолета, но этого не нужно делать при занятии заданного эшелона, поскольку для всех самолетов эта ошибка одна и та же.Погрешности, связанные с несовершенством инструмента измерения, называют инструментальными.Погрешности измерений могут быть абсолютными, относительными или приведенными.Абсолютными погрешностями являются погрешности, выраженные в единицах измеряемой величины; относительными — выраженные либо в процентах от нее, либо в процентах от верхнего предела измерений (диапазона); приведенные — в процентах от длины шкалы.Погрешности, имеющие место при нормальных условиях применения прибора, называются основными, погрешности, вызванные отклонениями влияющих величин от нормальных, называются дополнительными.При измерении достоянных величин погрешности являются статическими, при измерении изменяющихся во времени величин к ним добавляются динамические составляющие погрешности.

Погрешность в системах автоматического регулирования — разность между заданным и действительным значениями регулируемой величины в процессе регулирования. Погрешность в любой момент времени можно рассматривать как сумму погрешности в установившемся режиме (статическая) и погрешности в переходном процессе (динамическая).

6.2) Средства измерений в познании мира.

Для того чтобы можно было выяснить физическую сущность явлений, необходимо численно оценивать параметры этих явлений. Соотношения численных оценок различных параметров, относящихся к явлению, позволяет понять взаимосвязь этих параметров для разных условий. Такая оценка может быть произведена с помощью средств измерения, каждое из которых предназначено для измерения (численной оценки) определенной физической величины.К основным метрологическим характеристикам средств измерений относятся диапазон измерений и цена деления шкалы измерительного прибора.Диапазон измерений — это разность между наибольшим и наименьшим значениями измеряемой величины.Ценз деления шкалы измерительного прибора — это значение измеряемой величины между двумя соседними отметками его шкалы. Зачастую приборы делают многошкальиыми и с переключением диапазонов показаний.

Измерение является важнейшим понятием в метрологии. Это организованное действие, выполняемое для количественного определения свойств физического объекта.По характеру зависимости измеряемой величины от времени измерения разделяются на: Статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени;динамические, в процессе которых измеряемая величина меняется. По способу получения результатов измерений их разделяют на прямые, косвенные, совокупные и совместные:Прямые — это измерения, при которых искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных.

При прямых измерениях измеряемую величину сравнивают с мерой непосредственно или с помощью измерительных приборов, градуированных в требуемых единицах.Косвенные — это измерения, при которых искомую величину определяют на основе известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениямПримерами являются: нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению,Совокупные — это производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомую величину определяют решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Примером является определение массы отдельных гирь по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь.Совместные — это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величии для нахождения зависимостей между ними. Примером является измерение электрического сопротивления резистора при изменении температуры.

По способу выражения результатов измерений различают абсолютные и относительные измерения.Абсолютными называются измерения, которые основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин.Примером абсолютных измерений являются определение длины в метрах, величины тока в амперах, ускорения в метрах на секунду в квадрате.Относительными называются измерения отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную (например, к диапазону измерений или к текущему значению измеряемой величины).Примером относительных измерений является измерение относительной влажности воздуха.Основными характеристиками измерений являются: принцип измерений, метод измерений, погрешность, точность, правильность и достоверность.Средствами измерений являются используемые технические средства, имеющие нормированные метрологические погрешности.

Точность измерений есть величина, обратная модулю относительной погрешности.                                                                            

7.2) Случайность как непознанная закономерность.

Всякое измерение неизбежно связано с погрешностями. Погрешность измерений — разность между полученным при измерении X' и истинным Q значениями измеряемой величины. Погрешность измерения определяется формулой:

=X'-Q.Погрешность измерений вызывается несовершенством методов и средств измерений, непостоянством условий наблюдения, а также недостаточным опытом наблюдателя или особенностями его органов чувств.Погрешности, связанные с несовершенством метода измерения, называют методическими.Погрешности, связанные с несовершенством инструмента измерения, называют инструментальными. Различают систематические, случайные и грубые погрешности измерений.Погрешности, причины которых известны и которые могут быть так или иначе скомпенсированы или учтены, например, путем экспериментального определения ошибок, называют систематическими. К ним относятся погрешности, порожденные несовершенством метода, неточной градуировкой прибора, неправильной установкой измерительной аппаратуры.Погрешности, обусловленные результатом влияния неконтролируемых факторов, называют случайными.Случайные погрешности не являются от природы чем-то принципиально непознаваемым. Любая случайная погрешность должна рассматриваться как следствие совокупности конкретных причин, учет которых позволил бы в принципе скомпенсировать или устранить соответствующие составляющие погрешности. Однако этому препятствуют трудности определения этих причин (например, трудности учета всей совокупности метеоусловий на скорость распро­странения радиоволн) или дороговизна построения соответствующих компенсаторов ошибок. Поэтому в этих случаях погрешности считаются случайными и они оцениваются методами математической статистики по данным многократных измерений.Грубые ошибки (промахи) являются результатом неисправности средств измерения или резкими изменениями условий измерений. К числу последних относятся сбои и выбросы. При обработке измерений промахи, как правили, отбрасывают.

Погрешность в любой момент времени можно рассматривать как сумму погрешности в установившемся режиме (статическая) и погрешности в переходном процессе (динамическая). Статические погрешности являются в большей части детерминированными, причины их появления в процессах измерения чаще всего известны, но учет всех причин и их компенсация стоят дорого, поэтому часть этой ошибки воспринимается как случайная. Динамические погрешности связаны с внешними возмущениями, появление которых само по себе носит случайный характер, поэтому их приходится рассматривать как случайные.

7,1) Постулаты ТО Эйнштейна. Достоинства и недостатки

Относительности теория, физическая теория, рассматривающая пространственно-временные свойства физических процессов. Закономерности, устанавливаемые О. т., являются общими для всех физических процессов, поэтому часто о них говорят просто как о свойствах пространства-времени. Как было установлено А. Эйнштейном, эти свойства зависят от гравитационных полей (полей тяготения), действующих в данной области пространства-времени. Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения исследуются в общей теории относительности (ОТО), называются также теорией тяготения. В частной теории относительности рассматриваются свойства пространства-времени в приближении, в котором эффектами тяготения можно пренебречь. Логически частная О. т. есть частный случай ОТО, откуда и происходит её название. Исторически развитие теории происходило в обратном порядке; частная О. т. была сформулирована Эйнштейном в 1905, окончательная формулировка ОТО была дана им же в 1916. Ниже излагается частная О. т., называется в литературе также теорией относительности Эйнштейна, просто О. т., или специальной теорией относительности (история её возникновения изложена в последнем разделе).В основе О. т. лежит принцип относительности, согласно которому в физической системе, приведённой в состояние свободного равномерного и прямолинейного движения относительно системы, условно называется "покоящейся", для наблюдателя, движущегося вместе с системой, все процессы происходят по тем же законам, что и в "покоящейся" системе. Говорят, что движущаяся система получается из "покоящейся" преобразованием движения и что принцип относительности выражает инвариантность (независимость) законов природы относительно преобразований движения.

Справедливость принципа относительности означает, что различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения не имеет физического содержания. Если физическая система В движется равномерно и прямолинейно (со скоростью V ) относительно системы А, то с тем же правом можно считать, что А движется относительно В (со скоростью V). Термин "принцип относительности" связан с тем, что если преобразованию движения подвергнуть систему движущихся тел, то все относительные движения этих тел останутся неизменными.

Наряду с принципом относительности из опыта известны и др. принципы инвариантности, или, как ещё говорят, симметрии, законов природы. Любой физический процесс происходит точно так же: если осуществить его в любой др. точке пространства; эта симметрия выражает равноправие всех точек пространства, однородность пространства;если систему, в которой происходит процесс, повернуть на произвольный угол; эта симметрия выражает равноправие всех направлений в пространстве, изотропию пространства;если повторить процесс через некоторый промежуток времени; эта симметрия выражает однородность времени.