Переход в эту область микромира заставляет существенно пересмотреть механическую картину движения. Микрочастицы не движутся здесь по определенным траекториям, а проявляют двойственные корпускулярно-волновые свойства. По-новому решается вопрос и об изменении состояния систем: появляются квантовые скачки, сразу переводящие систему из одного дискретного состояния в другое, минуя все промежуточные. Эту область микромира изучает квантовая механика, элементы которой мы изучили в физике атома, в квантовой природе света.
Перешагнем последний достаточно изученный в физике рубеж — 10-15 м — и обратимся к системе, состоящей из протонов и нейтронов, то есть к ядру. Нуклоны связаны самым интенсивным взаимодействием — сильным, которое осуществляется путем обмена π-мезонами между парой нуклонов на расстояниях, не превышающих 10-15 м и обеспечивающих притяжение. Электромагнитное взаимодействие в этой области тоже имеет место и играет важную роль, хотя и уступает сильному. Так, пока ядра состоят из немногих нуклонов, сильное взаимодействие — притяжение — превышает электромагнитное отталкивание положительных протонов и ядро прочно. Но для тяжелых ядер, состоящих из сотен нуклонов, притяжение и отталкивание выравниваются, так как отталкивание осуществляется между каждым и всеми остальными протонами, а притяжение — только между соседними. После известного предела (уран, трансурановые элементы) ядра неустойчивы.
Далее, вплоть до достигнутого в настоящее время предела на шкале расстояний порядка 10-17 — 10-18 м материя представлена только элементарными частицами, причем, кроме названных выше частиц, имеется много неустойчивых, возникающих и исчезающих в реакциях, взаимных превращениях элементарных частиц. Эти процессы обусловлены как сильными, так и электрослабыми взаимодействиями.
Рамки современной физической картины мира. Неисчерпаемость знаний о мире (7 ученик)
Хотя физическая наука охватывает огромную область различных физических явлений, содержит множество законов и выводов, она не является полностью завершенной. Последняя точка в ней никогда не будет поставлена, так как материальный мир многообразен, а знания о нем неисчерпаемы.
Современная ФКМ ограничена «снизу», со стороны малых расстояний, но даже в этой области наши знания о природе и строении элементарных частиц пока что далеко не полны. Сейчас с помощью самых мощных ускорителей доступны изучению структурные элементы и их взаимодействия внутри элементарных частиц на расстояниях порядка 10-17 — 10-18 м. В последнее время здесь достигнуты замечательные успехи: открыто сложное строение мезонов и барионов. Оказалось, что они состоят из более «простых» частиц — кварков. Кварки и лептоны сейчас следует рассматривать как элементарные.
Ограничена современная ФКМ и «сверху», со стороны больших расстояний, пределами «видимости» в оптические и радиотелескопы. С их помощью получают сведения о строении и движении материи в мега-мире до расстояний порядка 1025 — 1020 м. В последнее время, несмотря на скудность информации о таких отдаленных областях Вселенной, и здесь сделаны удивительные открытия. Открыты новые, ранее неведомые человеку объекты: пульсары — нейтронные звезды чрезвычайно высокой плотности, квазары и ядра галактик — объекты с непостижимо большим излучением энергии, природа которых не ясна, и другие.
Наконец, Вселенная развивается. Наши знания об эволюции Вселенной, об ее образовании и дальнейшей судьбе, об изменении важнейших физических законов и констант с течением времени также нельзя назвать сейчас окончательными.
Кодированный диктант:
1) Физика оформилась как самостоятельная наука более трёхсот лет назад. (да)
2) Физическая картина мира представляет собой систему фундаментальных идей, понятий, законов и закономерностей физики; к не относятся: представления о свойствах пространства и времени, понятия об объектах изучения физической науки и исходных составных частях материи, универсальные физические законы, представления об иерархии закономерностей по масштабам явлений, исходные идеи и уравнения физических теорий и соотношение между последними. (да)
3) В ФКМ входят механическая, электрическая и квантово-полевая картины мира. (нет)
4) В рамках механической картины мира материя рассматривается как совокупность дискретных неделимых элементов – атомов, двигающихся и взаимодействующих по законам классической электродинамики. (нет)
5) Исследования в области электрических и магнитных явлений в XIX в. привели к возникновению электромагнитной картины мира, основы которой были заложены М.Фарадеем и Д.Максвеллом. (да)
6)Существует четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. (да)
7) Основное положение квантово-полевой картины мира заключается в том, что материя существует не только в виде вещества, но и в виде поля. (нет)
8) Возникновение квантово-полевых представлений связывают с появлением в 1900 г. квантовой гипотезы М.Планка. (да)
9) Пространство и время не являются формами существования материи, никак не связаны между собой, относительны и зависят от движения материи. (нет)
10)Физическая картина мира является неотъемлемой частью естественнонаучной картины мира, которая входит в общую научную картину мира. (да)
Таблица ответов:
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| + | + | - | - | + | + | - | + | - | + |
«+» - да, верно;
« - » - нет,
неверно
Учитель. Итак, сегодня на уроке мы выяснили, что человечество обладает большим объемом физических знаний, знает о материальном мире уже много, но не все.
Теперь подведем итоги. Как можно определить понятие физической картины мира?
Ученик. Физическая картина мира — это общее описание природы в физике, общий обзор строения и движения материи. И физическую картину входят основные представления механики, молекулярно-кинетической теории, электродинамики и квантовой физики, а также общие для всех теорий законы сохранения.
Учитель. Верно. Запишем краткое определение в тетради:
«ФКМ — это система самых общих представлений о строении, взаимодействии и движении материи от уровня элементарных частиц до галактик, описываемых как универсальными, так и специфическими для разных областей основными законами физики. Единая картина складывается из взаимосвязанных механических, полевых, статистических и квантовых представлений». Назовем основные понятия, входящие в общее сложное понятие ФКМ и раскрывающие ее содержание. Что здесь главное?
Ученик. Главное в ФКМ — понятие о взаимодействии.
Учитель. Верно. Но как же разнообразие взаимодействий связано с единством природы?
Ученик. Исходных, фундаментальных взаимодействий всего три, а проявлений, притом, очень различных, много.
Учитель. Это так, фундаментальные взаимодействия приводят в разных пространственных областях к качественно своеобразным формам движения материи. В чем еще можно видеть физическую основу материального единства мира?
Ученик. Весь материальный мир состоит из небольшого числа основных элементарных частиц.
Учитель. Верно. Сделаем вывод.
Материальное единство мира проявляется в том, что физические объекты и явления на Земле и во всей Вселенной имеют единую природу: состоят из небольшого числа (стабильных) элементарных частиц и вызываются тремя фундаментальными взаимодействиями.
Как отражается единство природы в физических законах?
Ученик. В физике есть величины и законы, применимые к любым физическим объектам и явлениям. Это энергия, импульс, электрический заряд, законы сохранения.
Учитель. Совершенно верно.
Универсальность физических величин и законов выражается в том, что элементарные частицы, атомы, молекулы, физические тела и поля характеризуются несколькими общими величинами. Главные из них следующие: энергия, импульс, масса, электрический заряд. Ряд физических законов применим к любым физическим явлениям в любой области пространства. Важнейшие из них: законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда.
Но все ли физические величины и законы универсальны? Например, применим ли второй закон Ньютона к движению электрона в атоме, к фотонам?
Ученик. Нет, ни второй закон Ньютона, ни понятие движения по траектории не применимы в микромире. Здесь частицы движутся по другим законам, обладают корпускулярно-волновыми свойствами.
Учитель. Да, имеются качественно различные формы движения материи, например механическая, тепловая. Законы механики не применимы к полю, где справедливы законы электродинамики и т. д. Запишем это в краткой формулировке.
Качественное своеобразие физических явлений обнаруживается в том, что в зависимости от размеров, строения, расстояния между физическими системами имеют место различные взаимодействия и качественно различные формы движения материи. Законы основных физических теорий соответственно применимы в своих областях.
В заключение попробуем разобраться в роли и назначении изученного понятия о ФКМ как обобщения физических знаний. Почему важно овладеть этим понятием?
Ученик. ФКМ дает возможность обозреть и представить весь мир, а это важно хотя бы для правильного выбора профессии.
Второй ученик. И не только поэтому. Говорить о всесторонне развитой личности можно только при условии, что человек осознал свое место в мире.