Принципы относительности и соответствия

Федеральное агентство по образованию

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Курский государственный технический университет»

кафедра теоретической и  экспериментальной физики

 

 

Контрольная работа

 

по дисциплине:    «Концепции современного естествознания»

на тему:  «Принципы  относительности и соответствия»

 

 

 

 

Выполнила:                                                              студентка гр. ЮР – 93(з)                  

                                                                                   Голощапова Е. Ю.

 

Проверил:                                                                 к.т.н., доцент Желанова Л.А.                                                                      

 

 

 

Курск, 2010 г.

Содержание.

1. Введение……………………………………………………………………...3
2. Принцип относительности………………………………………………......4
3. Принцип соответствия……………………………………………………….8
4. Заключение……………………………………………………………….….12
5. Библиографический список…………………………………………………13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Естествознание состоит  из многих наук. Каждая из естественнонаучных дисциплин – физика, химия, геология, биология и другие  - изучает определенный вид бытия. Подобно видам бытия, науки находятся между собой в некоторых соотношениях. В этой связи логика научного рассмотрения не может быть произвольной.

В первую очередь разумно обратиться к той науке, которая изучает фундамент природы, - физике.

Конституирование физики как науки связано в первую очередь с гениальными открытиями Г. Галилея и И. Ньютона (XVII в.).

Исследования Галилея  заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. Именно Г. Галилей сформулировал принцип относительности движения: все системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг относительно друга (т.е. инерциальные системы) равноправны между собой в отношении описания механических процессов.

Дальнейшие исследования лишь углубляли и укрепляли этот фундамент. С полным основанием Галилея  называют отцом современного естествознания.

 

 

 

 

 

 

 

Принцип относительности.

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Г. Галилеем (1564 – 1642) для механического движения. Механическое движение относительно, и его характер зависит от системы  отсчета. Та система, по отношению к  которой выполняется первый закон  Ньютона, называется инерциальной системой отсчета. Это такая система, которая либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью системы.

Опытным путем установлено, что с большой степенью точности инерциальной можно считать гелиоцентрическую  (звездную) систему отсчета, начало координат, которой находится в центре Солнца, а оси проведены в направлении определенных звезд. Система отсчета, связанная с землей, строго говоря, инерциальная, однако эффекты, обусловленные ее инерциальностью, связанные с вращением вокруг собственной оси и обращением вокруг Солнца, при решении многих задач пренебрежимо малы, и в этих случаях ее можно считать инерциальной.

Если системы отсчета  движутся относительно друг друга равномерно и прямолинейно и в одной из них справедливы законы динамики Ньютона, то эти системы инерциальные.

Установлено, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического принципа относительности – принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат.

Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими  опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. На спокойно плывущем корабле не заметно никаких признаков движения: в каюте мухи спокойно летают по всему ее пространству, не скапливаясь у задней стенки; подброшенный на палубе вертикально мяч при падении не отстает от движения корабля и точка его падения не смещается в сторону кормы. Из принципа относительности следует, что между состоянием покоя и движения, если последнее равномерно и прямолинейно, нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения: пассажир, читающий книгу на палубе теплохода, ощущает состояние покоя, а стоящие на берегу люди отчетливо наблюдают его движение относительно берега вместе с теплоходом. Таким образом, понятия состояния покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета (или инерциальная система отсчета).

Рассмотрим две системы  отсчета, движущиеся друг относительно друга с постоянной скоростью V_0. Одну из этих систем, обозначенную на рисунке буквой К, будем условно считать неподвижной. Тогда вторая система К^' будет двигаться равномерно и прямолинейно. Выберем координатные оси x, y, z системы К и оси x', y', z' системы К' так, чтобы оси х и х' совпадали, а оси y и   y', а также z и z' были параллельны друг другу.

               Y   К               Y'   К'

                                                                    Р

        О                     О'

                     х                                      X , X'

                v₀t                      х'     

Z                            Z'

Найдем связь между  координатами x, y, z некоторой точки Р в системе К и координатами x', y', z' той же точки в системе К'. если начать отсчет времени с того момента, когда начала координат обеих систем совпадают, то, как следует из рисунка, x = x'+ v₀t, y = y', z = z'. Добавим к этим соотношениям принятое в классической механике предположение, что время в обеих системах течет одинаковым образом, т.е., что t = t', получим совокупность четырех уравнений, называемых преобразованиями Галилея:

x = x'+ v₀t

y = y'                                        (1)

z=z'

t=t'

Продифференцировав  соотношения (1) по времени, найдем связь   между скоростями точки Р по отношению к системам отсчета К и К':

x=x'+v₀                                                v_x=v_{x' +} v₀

y=y'             или                 v_y=v_y'                                 (2)

z=z'                                     v_z=v_z'

 Три скалярных соотношения (2) эквивалентны следующему соотношению между вектором скорости v по отношению к системе К':

v= v'+v_0.               (3)

Продифференцируем по времени соотношение (3). Учитывая, что v₀ постоянно, получим:

v=v' или a=a'.           (4)

Таким образом, ускорение какого-либо тела во всех системах отсчета, движущихся друг относительно друга прямолинейно и равномерно, оказывается одинаковым (одним и тем же). Отсюда, согласно второму закону Ньютона, вытекает, что силы, действующие на тело в системах К и К' также будут одинаковыми.

Следовательно, уравнения  динамики не изменяются при переходе от одной инерциальной системы отсчета  к другой, т. е. инвариантны по отношению  к преобразованию координат, соответствующему переходу от одной системы отсчета  к другой.

С механической точки зрения все инерциальные системы отсчета  совершенно эквивалентны: ни одной  из них нельзя отдать предпочтение перед другими. Практически это проявляется в том, что никакими механическими опытами, проведенными в пределах данной системы отсчета, нельзя установить, находится ли она в состоянии покоя или в состоянии равномерного прямолинейного  движения.

Положение о том, что все  механические явления в различных  инерциальных системах отсчета протекают  одинаковым образом, вследствие чего никакими механическими опытами невозможно установить, покоится данная система отсчета  или движется  равномерно и прямолинейно, носит название  принципа относительности Галилея.

Современная формулировка принципа относительности такова: все инерциальные системы отсчета равноправны  между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов, или, другими словами, физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы  отсчета.

А. Пуанкаре распространил  принцип относительности на все  электромагнитные процессы, а А. Эйнштейн использовал его для специальной  теории относительности.

 

 

 

 

 

 

 

 Принцип соответствия.

В принципе соответствия можно выделить следующие его аспекты. Прежде всего  это сформулированная Бором идея соответствия между классической теорией  и его теорией атома водорода в области больших значений квантовых  величин.

Согласно данной формулировке, результаты новой теории асимптотически стремятся  к тем, которые давала старая теория. В дальнейшем эта интерпретация  принципа соответствия расширилась: он стал пониматься как требование экстраполяции  результатов до асимптотического совпадения и поиска аналогии между старой и  новой теориями по отношению к  другим свойствам излучения —  интенсивности и поляризации.

И, наконец, необходимо выделить обобщенное понимание соответствия, отражающее отношение преемственности между  любыми двумя теориями, из которых  одна следует за другой и которые  относятся к одной области  реальности. Такую преемственность  в известной степени можно  трактовать как частный случай кумулятивного  развития научного познания Здесь принцип  соответствия является всеобщим: всякая новая теория должна объяснять результаты предшествующей. Если же опираться  на интерпретацию Н.Ф.Овчинникова, понимающего  соответствие как всеобщий принцип  сохранения познания, и И.В.Кузнецова, считающего, что этот принцип говорит  о бесконечной преемственности  в развитии научного познания, о  невозможности достижения абсолютного  знания, то соответствие предстает  связанным с идеей относительности  познания и выступает в этом качестве не только как методологический, но и как гносеологический принцип.

Согласно принципу соответствия, от более развитой физической теории можно перейти к менее развитой в результате определенного предельного  перехода. Так, если в квантовой теории приравнять нулю операторы рождения и поглощения частиц, то ее формулы переходят в формулы нерелятивистской квантовой механики. Если в последней приравнять нулю постоянную Планка ћ, то получаются формулы классической физики. Если в специальной теории относительности скорость света в вакууме приравнять бесконечности, то ее формулы выглядят точно также, как формулы механики Ньютона.

Принцип соответствия, несомненно, содержит в себе рациональное зерно, но по большему счету он не выдерживает критики. Как особенно энергично подчеркивает американский философ науки Т. Кун, физические теории обладают различным понятийным содержанием, которое посредством предельного перехода не нивелируется. Именно поэтому Кун считает различные физические теории несоизмеримыми  друг с другом. Будучи в основном правым в критике принципа соответствия, Кун оставляет без должного внимания взаимосоотносительность физических теорий. Ведь вышеупомянутая взаимосоотносительность существует и, следовательно, имеет некий статус. Какой именно?

Практика научных изысканий  показывает, что более развитая теория всегда позволяет практически оценить содержание менее развитой теории. Развитую теорию с менее развитой теорией соединяет не столько предельный переход, который сам нуждается в осмыслении, сколько интерпритационно- критическая направленность. Развитая теория позволяет понять свою предшественницу как эрзац-теорию. Разумеется, отношение между развитой и менее развитой теорией ассиметрично. Развитая теория дает основания для критики менее развитой. Обратное не имеет силы: исходя из неразвитой теории, невозможно понять содержание развитой теории. Таким образом, принцип интерпретационной критики выражает связь теорий, в том числе физических теорий намного содержательнее, чем принцип соответствия.

Однако в согласии с  принципом соответствия новая теория должна определенным образом соответствовать  классическим теориям. Конкретно это  должно выражаться в том, что соотношения  новой теории должны находиться в  отношении аналогии с соотношениями классических величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую ей квантовую величину и, пользуясь классическими соотношениями, составить соответствующие им соотношения между найденными квантовыми величинами.

Очевидно, что принцип соответствия, который требует существования  преемственной связи между прошлым  и нынешним состояниями физики, обязывает  раскрывать связь сохранения с относительностью, соответствием и дополнительностью. Действительно, какова сущность принципа соответствия? Мы уже отмечали, что  в развитии физического познания соответствие в общем смысле указывает  на необходимость сохранения, поскольку  оно в данном случае выступает  в форме преемственности.