Лекция 5. Формирование электромагнитной картины мира Давыдов Виктор Николаевич проф. каф. современного естествознания и экологии ИНЖЭКОН

2 Эмпирическая база создания теории электромагнитных явлений

3 Закон Кулона (Шарль Огюстен де Кулон ) «Электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния» г.

4 Датский физик Ханс Кристиан Эрстед ( ) Электрический ток создает вокруг себя магнитное поле г.

5 Андре Мари Ампер ( ) 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.

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 ( ) Электромагнитные явления – следствие движения корпускул электрических зарядов.

7 Единая теория электрических и магнитных явлений Английский физик Джеймс Клерк Максвелл ( ), 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.

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).

9 Экспериментальное подтверждение существования электромагнитных волн Немецкий физик Генрих Герц ( ), 1888 г.

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

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.

12 Последствия становления электромагнитной картины мира (конец 19 в) 1.Атомы перестали считать неделимыми частицами вещества. Началось развитие теории строения вещества; 2.На базе развития теории строения вещества разрабатывается теория строения органических соединений, органический синтез. 3.Развиваются химическая термодинамика и химическая кинетика.

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.

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

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.

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.

17

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 x 1, y 1, z 1 заряд движется и создает магнитное поле. Противоречие!

19

20

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.

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.

23 Следствия СТО Объяснение релятивистских эффектов. 1.Зависимость длительности интервала времени между двумя событиями от выбора системы отсчета. Покоящиеся пи-мезоны имеют среднее время жизни 2, с, а двигающиеся со скоростью 0,75с живут 3, с.

24

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

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).

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.

28 Благодарю за внимание!