Формирование электромагнитной картины мира

Слайд #1

Лекция №5. Формирование электромагнитной картины мира Давыдов Виктор Николаевич проф. каф. современного естествознания и экологии ИНЖЭКОН

Слайд #2

* Эмпирическая база создания теории электромагнитных явлений

Слайд #3

* Закон Кулона (Шарль Огюстен де Кулон 1736-1806 ) «Электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния». 1780 г.

Слайд #4

* Датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851) Электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. 1819 г.

Слайд #5

* Андре Мари Ампер (1775 —1836) Построил первую теорию магнетизма, основан- ную на гипотезе молекулярных токов, согласно которой магнитные свойства вещества обуслов- лены электрическими токами, циркулирующими в молекулах. Отрицал существование магнитных зарядов.

Слайд #6

* Континуальные и корпускулярные теории электромагнетизма (середина 19 в.) Полевая концепция строения материи Фарадея Все пространство занимает поле, а атомы лишь его сгустки. Силовые линии поля – потоки или распространяющиеся колебания. Корпускулярная теория немецкого физика Вильгельма Вебера (1804-1891) Электромагнитные явления – следствие движения корпускул электрических зарядов.

Слайд #7

* Единая теория электрических и магнитных явлений Английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879), ученик Фарадея. Сформулировал фундаментальные уравнения электродинамики, связывающие напряженность электрического и магнитного полей с распределенными в пространстве электрическими зарядами и токами. Гипотеза о существовании электромагнитного поля и электромагнитных волн. Книга: «Динамическая теория электромагнитного поля», 1864 г.

Слайд #8

* Уравнения Максвелла Связывают величины, характеризующие электромаг- нитное поле, с распределением в пространстве элек- трических зарядов и токов. В пустоте электромагнитное поле характеризуется дву- мя векторными величинами: 1) напряжённостью электрического поля Е и 2) магнитной индукцией В. Эти величины определяют силы, действующие со сто- роны поля на заряды и токи, распределение которых в пространстве задаётся плотностью заряда ρ (зарядом в единице объёма) и плотностью тока j (зарядом, перено- симым в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению движения зарядов).

Слайд #9

* Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн Немецкий физик Генрих Герц (1857-1894), 1888 г.

Слайд #10

* Гипотеза об общей природе электромагнитного излучения и света подтверждена Скорости света и электромагнитных волн одинаковы, 300000 км/с

Слайд #11

* Основные положения электромагнитной картины мира 1. Электромагнитное поле – одна из форм существования материи; 2. Электромагнитное поле существует в виде электромагнитных волн; 3. Электромагнитные волны обладают энергией и импульсом. 4. Источник магнитного поля – электрический ток. 5. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает устойчивость атомов и молекул.

Слайд #12

* Последствия становления электромагнитной картины мира (конец 19 в) Атомы перестали считать неделимыми частицами вещества. Началось развитие теории строения вещества; На базе развития теории строения вещества разрабатывается теория строения органических соединений, органический синтез. Развиваются химическая термодинамика и химическая кинетика.

Слайд #13

* Последствия становления электромагнитной картины мира (конец 19 в) 4. Применение методов физики и химии в биологии. Чарльз Дарвин «Происхождение видов путем естественного отбора). 5. Формирование представления о Вселенной как о бесконечной в пространстве и времени, стационарной системе.

Слайд #14

* Вторая половина 19 века – завершение построения классического естествознания и возникновение первых противоречий

Слайд #15

* 1. В различных ситуациях свет проявляет или корпускулярные, или волновые свойства а) Представления о волновой природе света были обоснованы в классической электродинамике Максвелла. б)Излучение нагретых тел, фотоэффект, закономерности строения спектров атомов металлов требовали для объяснения представления света состоящим из отдельных частиц.

Слайд #16

* 2. Открытие рентгеновских лучей (1895 г.) и радиоактивности (1996 г.) а) Объяснение этих явлений с точки зрения классической науки отсутствовали; б) При радиоактивном распаде было обнаружено «кажущееся» нарушение закона сохранения массы. 3. Факты, противоречащие представлению о стационарности Вселенной Разбегание галактик.

Слайд #17

*

Слайд #18

* Принцип относительности Галилея и электромагнитные явления Законы физики одинаковы с точки зрения любого наблюдателя, двигающегося относительно объекта наблюдения равномерно и прямолинейно. Пусть электрический заряд покоится в сис- теме координат x,y,z, он создает вокруг себя электрическое поле. Но для наблюдателя в системе x1, y1, z1заряд движется и создает магнитное поле. Противоречие!

Слайд #19

*

Слайд #20

*

Слайд #21

* Специальная теория относительности (СТО) Здравый смысл – это сумма предубеждений, приобретенных до восемнадцатилетнего возраста. А. Эйнштейн А. Эйнштейн, 1905 г. ( «К электродинамике движущихся тел» в немецком журнале «Анналы физики»). Постулаты 1. Принцип относительности (Галилея) – любые физические процессы протекают одинаково в различных системах отсчета. 2. Принцип постоянства скорости света – скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника.

Слайд #22

* Формулы преобразования Лоренца Эйнштейн показал, что преобразования координат Лоренца отражают не реальное изменение геометрических размеров движущихся тел и промежутков времени, а изменение результатов измерений в зависимости от выбора системы отсчета. По Эйнштейну в движущейся системе размеры тел сокращаются, и время замедляется по отношению к неподвижному внешнему наблюдателю, а внутри самой системы все процессы протекают обычным образом.

Слайд #23

* Следствия СТО Объяснение релятивистских эффектов. Зависимость длительности интервала времени между двумя событиями от выбора системы отсчета. Покоящиеся пи-мезоны имеют среднее время жизни 2,6∙10-8 с, а двигающиеся со скоростью 0,75с живут 3,9∙10-8 с.

Слайд #24

*

Слайд #25

* Принцип соответствия Старая теория – частный случай новой. Механика Ньютона – частный случай специальной теории относительности.

Слайд #26

* Специальная теория относительности (СТО), раскрыв взаимосвязь пространства и времени между собой, не смогла ответить на вопросы о том, как связаны они с телами, находящимися в пространстве, и полями тяготения. Процесс поиска ответа на эти вопросы завершился построением общей теории относительности (ОТО).

Слайд #27

* Темы коротких сообщений 1.История открытия лучей Рентгена. 2. Опыты Герца с электромагнитными волнами. 3. Кто изобрел радио? Российская, итальянская, американская версии. 4. История создания уравнений Максвелла. 5. История разработки систем мобильной связи. 6. Специальная теория относительности и парадокс близнецов. 7. Экспериментальные доказательства справедливости специальной и общей теорий относительности. 8. История создания квантовой механики.

Слайд #28

* Благодарю за внимание!