Билеты: Экзаменационные вопросы по естествознанию (физика)
В. А. АЦЮКОВСКИЙ, д. т. в., профессор, академик РАЕН
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
(учебное пособие к семинарам)
УРСС
Москва 1998
СОДЕРЖАНИЕ
Вторые вопросы к экзаменационным билетам по КСЕ
1. Всеобщая взаимосвязь явлений. Понятие о взаимосвязи и размерности
физических величин (4).
2. Системы измерений как физический язык анализа качества и количества. Система
СИ. Основные единицы физических величин и их производные (5).
3.Многофакторность источников погрешностей. Погрешности измерений, их виды,
причины возникновения (8).
4. Средства измерений в познании мира. Основные метрологические
характеристики средств измерений; методы измерений, методические и
инструментальные погрешности (9).
5. Случайность как непознанная закономерность. Случайные и систематические
погрешности, их учет и устранение (11).
6. Статистическая оценка физических величин. Виды случайных распределений.
Нормальный закон распределения и его использование в различных областях (13).
7. Динамические процессы в природе. Метрологические характеристики
динамических процессов и их параметры (14). Проблема оценки качества
процессов. Точность и стабильность процессов, их показатели (14).
8. Концепция симметрии и асимметрии. Природные проявления симметрии.
Использование принципа симметрии природой и в человеческой практике (15).
9. Несоздаваемость и неуничтожимость движения и материи. Законы сохранения
энергии, количества движения, момента количества движения, проявления в
природе (18).
10 . Формы движения материи. Кинетическая и потенциальная энергии, их природа
и взаимопревращения (21).
11. Существующие и альтернативные источники энергии. Энергетические
преобразователи, их виды и применение (22).
12. Измерение как метод познания природных процессов. Измерительные
преобразователи, их виды и применение. Общая структура измерительных
устройств (23).
13. Исследование природных процессов человеком. Простейшие системы
визуализации измеряемых сигналов и информации.
14. Электронные осциллографы, их назначение (25).
15. Основные законы цепей постоянного тока. Техническое использование
постоянного тока (27).
16. Основные закономерности цепей переменного тока. Техническое использование
переменного тока (30).
17. Выделение информации на фоне помех. Явление резонанса, его сущность
Примеры использования резонансных явлений в электро- и радиотехнике (31).
18. Электромагнетизм как физическое явление. Взаимодействие токов, закон
Ампера. Принцип действия электродвигателей (32).
19. Взаимодействие электромагнитного поля и движущегося заряда. Сила Лоренца.
Принцип действия электрогенераторов (33).
20. Магнитное поле как носитель энергии. Электромагнитная индукция. Закон
Фарадея. Правило Ленца. Примеры технического использования (33).
21. Взаимодействие вещества и полей. Поведение веществ в электрических полях.
Диэлектрики и пьезоэлектрики и их применение (34).
22. Взаимодействие вещества и полей. Поведение веществ в магнитных полях.
Ферромагнетики и ферриты, их применение (35).
23. Электромагнитное излучение и его природа. Шкала электромагнитных волн,
области применения различных частотных диапазонов. Параметры волн (37).
24. Изменение полей при движении объектов. Эффект Допплера и его применение в
технике (38).
25. Квантовые явления в физических средах. Квантовые генераторы: физическая
сущность, виды и особенности лазеров, области применения (39).
26. Квантовые эффекты в микромире. Понятие о спектрах излучения и поглощения,
спектрометрия (40).
27. Проблема отражения и запоминания информации. Понятие о голографии,
области применения (41).
28. Физические основы акустики. Эволюция средств звукозаписи и
воспроизведения звука (42).
29. Меры движения материи. Сущность параметров давления и температуры, их
влияние на фазовое состояние вещества. Энергетика фазовых переходов,
использование на практике (43).
30. Химическое преобразование веществ. Химические реакции и соединения.
Принцип Ле Шателье. Экзотермические и эндотермические реакции. Горение и
взрыв (44).
31. Проблема создания материалов с заданными параметрами. Органические
вещества и соединения естественного и искусственного происхождения.
Полимерные материалы. Термопласты и реактопласты, их применение (46).
32. Дифференциация и интеграция функций в автоматизированных производственных
комплексах. Роботы и их применение (47).
1. Всеобщая взаимосвязь явлений.
Понятие о взаимосвязи и размерности физических величии
Все явления в мире так или иначе взаимосвязаны и подчиняются общим физическим
законам. Чтобы иметь возможность сопоставлять физические величины друг с
другом, производить расчеты нужно каждую физическую величину представить через
некоторые общие для всех исходные физические величины, принимаемые за
первичные. Однако эти первичные величины могут быть выбраны произвольно, и
тогда при определении их физической сущности и при расиста” неизбежно возникнут
дополнительные трудности. Чтобы их избежать, нужно определить те физические
категории, которые являются неизменными при преобразованиях материи при
взаимодействии материальных образований, (относительно которых будут
оцениваться все остальные физические величины и параметры. Но если речь идет о
всеобщих закономерностях материи во Вселенной, то должны быть определены
всеобщие физические инварианты, которые не изменяются ни при каких
преобразованиях форм материи и ни при каких физических процессах. То есть они
инвариантны по отношению и к преобразованиям форм материи, и к конкретным
физическим явлениям.
Общими физическими инвариантами могут быть только такие категории, которые
являются всеобщими для всех без исключения физических явлений, то есть
для всей реальности нашего физического мира. Такими категориями является
движение и три его неразрывных составляющих — материя, пространство и
время. Ибо в мире нет ничего, кроме движущейся материи. И следовательно,
все физические величины и все физические явления так или иначе будут
определяться этими категориями как исходными. Именно они поэтому и должны
валяться основой любой системы измерений, т.е. в основе любой системы измерений
должны являться три величины — мера материя, такой мерой является единица массы
как количества материи и обозначается через символ М (от англ. слова
"matter" — вещество, материя); мера пространства, такой мерой является единица
длины и обозначается через символ L (от англ. слова "length" — длина); мера
времени, такой мерой является единица времени и обозначается через символ Т
(от англ. слова “time” — время).
Размерность физической величины — это выражение, показывающее связь данной
физической величины с физическими величинами, положенными в основу системы
единиц. Размерность записывается в виде произведения символов соответствующих
основных величин, возведенных в определенные степени, которые называются
показателями размерности. Величины, в которые все основные величины входят в
степени 0, называются безразмерными. Во всех остальных случаях размерность
конкретной физической величины записывается в виде:
[u]=MxLyTz, (1)
где u — есть обозначение самой величины, х, у, г —
показатели размерности каждой из основных величин. Например, размерность
ускорения должна быть записана в виде:
[a] = LT -2, (2)
а размерность работы и мощности соответственно в виде:
[А] = МL2T--2, [Р\ = МL2T--3. (3)
Поскольку во многих случаях такой вид обозначений не очень удобен, то на
практике применяются производные величины, изначально содержащие в себе
исходные величины в определенных степенях. Таким величинами являются, например,
мера площади — м2, мера объема — м3, мера силы — Ньютон
(Н), равная [Н] = МLT--2 или Н = кг×м×с-
2; или мера работы — Джоуль (Дж), равная [Дж] = МL 2 Т
-2 или Дж = кг ×м 2 ×с -2, и т.п.
2. Системы измерений как физический язык анализа качества
и количества. Система СИ. Основные единицы физических величин и их производные
Для того чтобы можно было производить сопоставлять физические параметры и
производить какие-либо расчеты необходимо иметь систему единиц физических
величин, которая явится общим физическим языком для единой оценки качества
параметров — их физической сущности и их количественного содержания Тогда
каждый параметр может иметь количественное значение, выраженное через эти
величины. Но в каждой системе единиц нужно какие-то величины принимать за
исходные, а какие-то окажутся производными величинами, зависящими от первых.
Неудачный выбор исходных величин приведет к тому, что размерность некоторых
производных величин окажется лишенной физического смысла.
В первых системах единиц в качестве единиц были выбраны единицы длины и массы,
например, в Великобритании фут и английский фунт. Слово фут происходило от
английского слова foot — ступня и равнялась 1/3 ярда или 12 дюймам или 0,3048
м. Фунт (от латинского pondus — тяжесть), обозначался lb подразделялся
на 16 унций или на 16 х 16 = 256 драхм, а также на 7000 грантов. Торговый
английский фунт составлял в сегодняшней мере 0,45359237 кг.
В России были выбраны аршин и русский фунт. Аршин до Петра I равнялся 27
английским дюймам, но при Петре I он был установлен равным 28 английским
дюймам и с тех пор сохранялся неизменным. 1 аршин = 16 вершкам =71,12 см. До
введения метрической системы мер аршин использовался в ряде стран — Болгарии,
Афганистане, России, Турции и Иране и колебался от 65,5 см до 112 см. Русский
торговый фунт равнялся 1/40 пуда и был равен 32 лотам или 96 золотникам или
9216 долям или 409,51241 грамм.
Неудобства в сфере торговли и промышленного производства, связанные с различием
национальных систем единиц, натолкнули на идею разработки метрической системы
мер в конце XVIII века во Франции, послужившей основой для
международной унификации единиц длины (метр) и массы (килограмм).
В XIX веке К. Гаусс и В. Э. Вебер предложили систему единиц для электрических и
магнитных величин, а во второй половине XIX столетия Британская ассоциация по
развитию наук приняла две системы единиц: СГСЭ (электростатическую) и СГСМ
(электромагнитную). В первой из них за безразмерную единицу принята
диэлектрическая проницаемость вакуума, а во второй — магнитная проницаемость
вакуума. Это сразу же лишило их какого бы то ни было физического содержания. В
результате все электромагнитные величины в системах СГСЭ и СГСМ имеют дробную
размерность, например, электрический заряд имеет размерность [см 1
/2 ×г1/2 ], что не только не
удобно, но и еще раз подчеркивает отсутствие в этих системах единиц физического
смысла.
В 1901 г. итальянский физик Дж. Джорджи предложил систему единиц, основанную
на метре, килограмме, секунде и одной электрической единице (позднее был
выбран ампер), появилась система МКСА. Все остальные величины были
производными.
В настоящее время наметился принципиально иной подход к выбору основных
величин, который тем не менее во многом совпал с уже существующей практикой.
В каждом физическом явлении участвуют три инварианта — материя, пространство и
время. В конкретном явлении они проявляются в виде конкретной формы их
взаимосвязи, что выражается в виде их размерности. Система измерений СИ,
оперирующая мерами инвариантных величин — фактически количеством материи,
выраженной мерой массы — кг, пространством, выраженным мерой длины — метром, а
также временем, выраженным мерой времени — секундой фактически полностью
соответствует этим инвариантным величинам и поэтому является наиболее
физической, отражающей реальное положение вещей в мире. В любой физической
величине меры материи, пространства и времени входят в целочисленных степенях.
Международная система единиц физических величин СИ была принята в 1960 г. 11-
й Генеральной конференцией по мерам и весам. Эта система единиц разработана с
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
| 
