Контрольная работа по "Концепциям современного естествознания"

Содержание

1	Электромагнитная  картина мира (XIX - начало XX в). Работы М.Фарадея и Д. Максвелла. Теория магнетизма Д.Максвелла. Основы этой картины  мира. Новое понимание сущности материи (вещество и поле)	3
2	Нормальное и  возбужденное состояние атома. Понятие валентности и степени окисления атома. Какое число связей могут образовывать атомы водорода, кислорода, углерода и серы в нормальном и возбужденном состоянии.	9
3	Эволюция звезд (этапы существования звезд). Нормальные звезды, красные гиганты, белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры	17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Электромагнитная картина мира (XIX - начало XX в). Работы М.Фарадея и Д. Максвелла. Теория магнетизма Д.Максвелла. Основы этой картины мира. Новое понимание сущности материи (вещество и поле)

Электрические и магнитные явления были известны человечеству с древности. Само понятие  «электрические явления» восходит к  Древней Греции (вспомните: два куска  янтаря («электрон»), потертые тряпочкой, отталкиваются друг от друга, притягивают  мелкие предметы…). Впоследствии было установлено, что существует как бы два вида электричества: положительное и отрицательное.

Что касается магнетизма, то свойства некоторых тел притягивать  другие тела были известны еще в  далекой древности, их назвали магнитами. Свойство свободного магнита устанавливаться в направлении «Север-Юг» уже во II в. до н.э. использовалось в Древнем Китае во время путешествий. Первое же в Европе опытное исследование магнита было проведено во Франции в 13 в. В результате было установлено наличие у магнита двух полюсов. В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что Земля представляет собой большой магнит: эти и обусловлена возможность определения направления с помощью компаса.

18-й век, ознаменовавшийся  становлением МКМ, фактически положил начало и систематическим исследованиям электрических явлений. Так было установлено, что одноименные заряды отталкиваются, появился простейший прибор — электроскоп. В середине 18 в. была установлена электрическая природа молнии (исследования Б. Франклина, М. Ломоносова, Г. Рихмана, причем заслуги Франклина следует отметить особо: он является изобретателем молниеотвода; считается, что именно Франклин предложил обозначения "+" и "—" для зарядов).

В 1759 г. английский естествоиспытатель Р. Симмер сделал заключение о том, что в обычном состоянии любое тело содержит равное количество разноименных зарядов, взаимно нейтрализующих друг друга. При электризации происходит их перераспределение.

В конце 19-го, начале 20-го века опытным путем было установлено, что электрический заряд состоит из целого числа элементарных зарядов е=1,6×10^-19 Кл. Это наименьший существующий в природе заряд. В 1897 г. Дж. Томсоном была открыта и наименьшая устойчивая частица, являющаяся носителем элементарного отрицательного заряда (электрон, имеющий массу mo_e=9,1×10^-31). Таким образом, электрический заряд является дискретным, т.е. состоящим из отдельных элементарных порций q=± ne, где n — целое число.

В результате многочисленных исследований электрических явлений, предпринятых в 18-19 вв. был получен ряд важнейших законов.

Закон сохранения электрического заряда: в электрически замкнутой системе сумма зарядов  есть величина постоянная. (Т.е. электрические  заряды могут возникать и исчезать, но при этом обязательно появляется и исчезает равное количество элементарных зарядов противоположных знаков). Величина заряда не зависит от его скорости.

Закон взаимодействия точечных зарядов, или закон Кулона:

, где e - относительная  диэлектрическая проницаемость  среды (в вакууме e = 1). Силы Кулона существенны до расстояний порядка 10^-15м (нижний предел). На меньших расстояниях начинают действовать ядерные силы (т.н. сильное взаимодействие). Что касается верхнего предела, то он стремится к :.

Исследование  взаимодействия зарядов, проводившееся  в 19 в. замечательно еще и тем, что вместе с ним в науку вошло понятие поля. Начало этому было положено в работах М. Фарадея. Поле неподвижных зарядов получило название электростатического. Электрический заряд, находясь в пространстве, искажает его свойства, т.е.создает поле. Силовой характеристикой электростатического поля является его напряженность . Электростатическое поле является потенциальным. Его энергетической характеристикой служит потенциал j.

Открытие Эрстеда. Природа магнетизма оставалась неясной  до конца 19 в., а электрические и магнитные явления рассматривались независимо друг от друга, пока в 1820 г. датский физик Х. Эрстед не открыл магнитное поле у проводника с током. Так была установлена связь электричества и магнетизма. Силовой характеристикой магнитного поля является напряженность . В отличие от незамкнутых линий электрического поля силовые линии магнитного поля замкнуты, т.е. оно является вихревым.

Электродинамика. В течение сентября 1820 г. французский  физик, химик и математик А.М. Ампер  разрабатывает новый раздел науки об электричестве — электродинамику.

Законы Ома, Джоуля-Ленца: важнейшими открытиями в области  электричества явились открытый Г. Омом (1826) закон I=U/R и для замкнутой цепи I= ЭДС/(R+r), а также закон Джоуля-Ленца для количества тепла, выделяющегося при прохождении тока по неподвижному проводнику за время t: Q = IUT.

Работы М.Фарадея. Исследования английского физика М.Фарадея (1791-1867) придали определенную завершенность  изучению электромагнетизма. Зная об открытии Эрстеда и разделяя идею о взаимосвязи явлений электричества и магнетизма, Фарадей в 1821 г. поставил задачу «превратить магнетизм в электричество». Через 10 лет экспериментальной работы он открыл закон электромагнитной индукции. (Суть закона: изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению ЭДС индукции ЭДС_i = k×DФ_m/Dt, где DФ_m/Dt — скорость изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур). С 1831 по 1855 гг. выходит в свет в виде серий главный труд Фарадея «Экспериментальные исследования по электричеству».

Работая над  исследованием электромагнитной индукции, Фарадей приходит к выводу о существовании  электромагнитных волн. Позже, в 1831 г. он высказывает идею об электромагнитной природе света.

Одним из первых, кто оценил работы Фарадея и его  открытия, был Д.Максвелл, который развил идеи Фарадея, разработав в 1865 г. теорию электромагнитного поля, которая значительно расширила взгляды физиков на материю и привела к созданию электромагнитной картины мира (ЭМКМ).

2. Теория электромагнитного  поля Д. Максвелла

Концепция силовых  линий, предложенная Фарадеем, долгое время не принималась всерьез  другими учеными. Дело в том, что  Фарадей, не владея достаточно хорошо математическим аппаратом, не дал убедительного  обоснования своим выводам на языке формул. («Это был ум, который никогда не погрязал в формулах — сказал о нем А. Эйнштейн).

Блестящий математик  и физик Джеймс Максвелл берет  под защиту метод Фарадея, его  идею близкодействия и поля, утверждая, что идеи Фарадея могут быть выражены в виде обычных математических формул, и эти формулы сравнимы с формулами профессиональных математиков.

Теорию поля Д. Максвелл разрабатывает в своих  трудах «О физических линиях силы» (1861-1865) и «Динамическая теория поля (1864-1865). В последней работе и была дана система знаменитых уравнений, которые (по словам Герца) составляют суть теории Максвелла.

Эта суть сводилась  к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Таким образом, в физику была введена новая реальность — электромагнитное поле. Это ознаменовало начало нового этапа в физике - этапа, на котором электромагнитное поле стало реальностью, материальным носителем взаимодействия.

Мир стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. (Действительно, вспомним, что в МКМ господствовал принцип дальнодействия, согласно которому действие различного рода сил передается мгновенно, без участия среды.)

Система уравнений  для электрических и магнитных  полей, разработанная Максвеллом, состоит  из 4-х уравнений, которые эквивалентны 4-м утверждениям.

Уравнение	Утверждение
div E ~ q	Электрическое поле, соответствующее какому-либо распределению заряда, определяется из закона Кулона
div H = 0	Магнитные заряды не существуют
	Переменное магнитное  поле возбуждает электрический ток
	Магнитное поле возбуждается токами и переменными  электрическими полями

Анализируя свои уравнения, Максвелл пришел к выводу, что должны существовать электромагнитные волны, причем скорость их распространения должна равняться скорости света. Отсюда вывод: свет — разновидность электромагнитных волн. На основе своей теории Максвелл предсказал существование давления, оказываемого электромагнитной волной, а, следовательно, и светом, что было блестяще доказано экспериментально в 1906 г. П.Н. Лебедевым.

Вершиной научного творчества Максвелла явился «Трактат по электричеству и магнетизму».

Развитие корпускулярно-континуальных  представлений в трудах Максвелла. Развивая теорию электромагнитного  поля, Максвелл не отвергал и дискретность материи. Он писал: «Даже атом, когда  мы приписываем ему способность  вращаться, можно представлять состоящим из многих элементарных частиц.» Это было сказано в 1873 г. задолго до открытия электрона. Таким образом, Максвелл не отдавал предпочтения ни дискретности, ни непрерывности материи, допуская возможность и того и другого.

Разработав ЭМКМ, Максвелл завершил картину мира классической физики («начало конца классической физики»). Теория Максвелла является предшественницей электронной теории Лоренца и специальной теории относительности А. Эйнштейна.

3. Электронная  теория Лоренца.

Голландский физик  Г. Лоренц (1853-1928) считал, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. Лоренц высказал в этой связи свои представления об электронах, т.е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех телах.

В 1895 г. Лоренц дает систематическое изложение электронной  теории, опирающейся, с одной стороны, на теорию Максвелла, а с другой —  на представления об «атомарности» (дискретности) электричества. В 1987 г. был  открыт электрон, и теория Лоренца получила свою материальную основу.

Совместно с  немецким физиком П. Друде Лоренц разработал электронную теорию металлов, которая строится на следующих положениях.

1. В металле  есть свободные электроны —  электроны проводимости, образующие  электронный газ.

2. Остов металла  образует кристаллическая решетка,  в узлах которой находятся  ионы.

3. При наличии  электрического поля на беспорядочное  движение электронов накладывается  их упорядоченное движение под  действием сил поля.

4. При своем  движении электроны сталкиваются с ионами решетки. Этим объясняется электрическое сопротивление.

Электронная теория позволила количественно описать  многие явления, однако в ряде случаев, например, при объяснении зависимости  сопротивления металлов от температуры  и др. была практически бессильна. Это было связано с тем, что к электронам в общем случае нельзя применять законы механики Ньютона и законы идеальных газов, что было выяснено в 30-х годах 20 в.

В 1902 г. в опытах Кауфмана было обнаружено, что отношение заряда e к его массе m не является постоянной величиной, а зависит от скорости (с ростом скорости оно уменьшается). Из теории следовало, что q = const. Значит, растет масса. Возник вопрос, как это понять? Ответ был дан позже в специальной теории относительности.

 

2.Нормальное и возбужденное состояние атома. Понятие валентности и степени окисления атома. Какое число связей могут образовывать атомы водорода, кислорода, углерода и серы в нормальном и возбужденном состоянии.

 

Состояние атома  с наименьшей энергией электрона называют нормальным, а все другие состояния с большей энергией — возбужденными или ионизированными Если атому водорода, находящемуся в нормальном состоянии, передается энергия больше 13,55  (см. выражение (1.4)1, то происходит ионизация атома.

Теория Н. Бора была в 1916 г. развита Зоммерфельдом, который помимо круговых орбит учел возможность существования и эллиптических орбит. Движение электронов вокруг ядра усложнилось, оно стало характеризоваться тремя квантовыми числами: главным квантовым числом », определяющим удаленность орбиты; орбитальным квантовым числом (, учитывающим момент количества движения электрона (векторное произведение радиуса-вектора орбиты электроне на его импульс) н магнитным квантовым числом т, определяющим ориентацию электронной орбиты относительно некоторой оси трехмерного пространства. 
 Представления об этих квантовых числах сохранены и в современной атомной физике, хотя и в измененном виде. Мы остановимся на них более подробно в дальнейшем.

Теория Н. Бора сыграла большую роль в развитии современной теории строения материи я ее вехи сохранились до наших дней. Кроме объяснения спектров излучения атомов водорода она позволила обосновать {хотя и качественно) закономерности элементов в периодической системе Менделеева. Но ее триумф в физике был не долгим: в 1927 г. было открыто явление дифракции межтрансе, указавшее на ложность представлений об орбитальном движении электронов в атоме. Потребовалось дальнейшее развитие атомной теории на основе новых представлении о свойствах микромира, в результате чего родилась новая теория —квантовая механика