Примерный план использования ЭБЗ при подготовке, выполнении и защите лабораторной работы № 2 "
«Измерение радиуса кривизны линзы и длины волны света методом колец Ньютона»
Перед выполнением работы:
•Прочитать описание л/р № 2, теоретическую и практическую часть. Оформить в тетради протокол лабораторной работы.
•Прочитать § V.1.1, V.1.3 справочника.
•Прочитать конспект лекций, гл. III, § 1 «Интерференция света».
•Ответить на контрольные вопросы к конспекту лекций, гл. III, § 1.
При оформлении работы:
•Руководствуясь описанием л/р № 2, провести требуемые расчёты и закончить оформление протокола лабораторной работы.
При подготовке к защите работы:
•Ещё раз прочитать описание л/р № 2.
•Повторить § 1 гл. III конспекта лекций, ответить на контрольные вопросы к § 1
гл. III.
•Прочитать вводную часть § 21 гл. V «Методики решения задач по физике» (задачник Новодворской) и рассмотреть решение задач 4, 5 этого параграфа.
•Рассмотреть пример 2 гл. 2 и решить задачи №№ 2.11-2.30 из задачника. Сверить ответы.
•Ответить на вопросы к защите лабораторной работы № 2.
Примерный план использования ЭБЗ при изучении темы «Дисперсия света»
•Прочитать § 3 гл. III конспекта лекций. При необходимости повторить другие разделы конспекта лекций и справочника.
•Просмотреть демонстрацию «Разложение белого света в спектр с помощью призмы».
•Ответить на контрольные вопросы для повторения к§ 3 гл. III конспекта лекций.
•Прочитать вводную часть § 22 гл. V «Методики решения задач по физике» (задачник Новодворской), рассмотреть решение задач №№ 22.1-3 этого параграфа.
•Рассмотреть примеры раздела 5 сборника задач. Решить задачи этого раздела. Сверить ответы.
•Прочитать § V.3.1, V.3.3-5 справочника.
ПРИМЕЧАНИЕ
Чтение большего количества литературы и решение большего количества задач помогает лучше усвоить материал и лучше овладеть требуемыми навыками. Тем не менее при недостатке времени учащийся может самостоятельно отбирать для собственного обучения материал, имеющийся в ЭБЗ. Различные разделы ЭБЗ могут дублировать друг друга.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО МЕТОДОЛОГИЧЕСКИМ И МИРОВОЗЗРЕНЧЕСКИМ ВОПРОСАМ
ВВЕДЕНИЕ
Раздел о строении вещества должен начинаться с весьма краткого исторического очерка развития представлений о строении атома, где, наряду с изложением конкретных результатов, важно обратить внимание на методологические вопросы. Напомнив об осцилляторной модели атома, описанной в предыдущем разделе курса, надо упомянуть о модели Томсона, давшей возможность получить из закона Кулона выражение для квазиупругой силы, действующей на внутриатомный электрон. Надо подчеркнуть важность опытов Э. Резерфорда, опровергнувших модель Томсона и послуживших основой для выдвижения ядерной модели атома. Следует отметить, что Резерфорд при истолковании результатов своих опытов пользовался гипотезой о применимости к движению α-частицы внутри атома понятий и законов классической механики (траектория, второй закон Ньютона) . Без этой гипотезы выводы Резерфорда теряют свое обоснование. Вместе с тем справедливость гипотезы Резерфорда была обоснована значительно позднее в квантовой механике (в связи с большой массой α-частицы). К сожалению, на это важное обстоятельство не обращают внимание в учебниках, а ведь это пример роли гипотез в экспериментальных данных. Резерфорд эту же гипотезу перенес на движение электронов в атоме, что на данном этапе развития теории было полезным, но, как выяснилось позднее, оказалось совершенно необоснованным. Движение электронов по классическим траекториям (орбитам) в атоме противоречило экспериментальным данным об устойчивости атома и представлениям классической электродинамики. Резерфорд понимал это противоречие, но не мог его разрешить, ибо исходил из чисто классической физической картины мира.
Н. Бор использовал идею Планка о квантовании энергии атома, но, в отличие от Планка, применил эту идею не к осцилляторной модели атома, а к планетарной моде-
ли Резерфорда. Тем самым он продолжил начатое Планком и Эйнштейном формирование квантово-полевой картины мира. Бор выдвинул два квантовых постулата. Оба постулата находились в резком противоречии с классической электродинамикой и носили в этом смысле революционный характер. Конкретизируя первый постулат о существовании стационарных состояний атома, Бор ввел квантование орбит электронов. Пользуясь соотношениями классической механики и электродинамики и правилом квантования орбит, Бор получил условие квантования энергии атома.
Второй постулат связывал частоту излучения атома с разностью энергий двух его стационарных состояний, между которыми происходит переход. Он также порывал с классической электродинамикой, согласно которой частота излучения атома должна быть равна частоте периодических движений электрона в атоме. Однако, несмотря на такое резкое расхождение с классикой, Бор пришел к указанным соотношениям, используя принцип соответствия, им же впервые четко сформулированный.
Суть этого принципа состоит в наличии некоего соответствия между результатами новой более точной и общей теории и результатами старой теории [1].
Принцип соответствия отражает одну из сторон диалектики развития науки. Например, при переходах атомов между близкими энергетическими состояниями квантовая формула для частоты излучения должна приближаться к классической. В этом случае дискретность изменения энергии атома практически не должна отличаться от непрерывности. Квантовое выражение для частоты, полученное Бором, удовлетворяло указанному требованию.
Принцип соответствия сохранил значение и в процессе дальнейшего развития квантовой физики. Он, по существу, отображает важную связь между сменяющими друг друга физическими теориями, которая не всегда сводится к приведенному выше частному случаю простого предельного перехода. Справедливость принципа соответствия объясняется тем, что каждая физическая теория должна правильно отражать некоторые черты объективной реальности. Речь, конечно, идет о фундаментальных теориях, получивших широкое экспериментальное подтверждение.
«В отношении принципа соответствия, пожалуй, общепризнанно, что он является новым философским результатом, полученным на основании обобщения опыта естествознания прежде всего XX в. и идущим в русле развития диалектики абсолютного и относительного в познании» [2].
В становлении теории атома Бора большую роль сыграл также эмпирический закон Бальмера, описывающий структуру спектра водорода. Теория Бора не только
объяснила происхождение этой структуры, но и предсказала ряд новых фактов, подтвержденных экспериментально. Особенно сильное впечатление произвело правильное предсказание тонких деталей, связанных с конечной массой ядра (сверхтонкая структура и изотопия). Здесь играет роль то, что электрон вращается не вокруг ядра, а вокруг общего центра масс, смещенного на тысячные доли расстояния между электроном и ядром. Тем самым теория Бора, казалось бы, выдержала наиболее строгую проверку экспериментом, показав свою способность не только объяснять уже известные факты, но и правильно прогнозировать еще экспериментально не обнаруженные факты. Однако необходимо подчеркнуть, что теория Бора внутренне противоречива, нелогична. Нелогичность ее состоит в том, что Бор, рассчитывая движение электрона в атоме по законам классической физики, в то же время накладывал на это движение особые квантовые запреты. Важно отметить здесь, что логическая противоречивость теории Бора была ясна сразу же, в момент ее создания, а не выяснилась позднее, в процессе дальнейшего развития наших представлений о свойствах атома. Это был второй после теории Планка пример продуктивного использования в науке заведомо нелогичной теории. Обычно несовершенство логической структуры теории выясняется только в процессе ее дальнейшего развития. В указанных двух случаях творцы теорий шли под давлением экспериментальных фактов на заведомый конфликт с требованиями строгой логики. Бор имел в виду как раз такие ситуации, когда говорил о «сумасшедших» теориях. Здесь надо быть осторожными, чтобы не быть превратно понятыми студентами. «Сумасшедший» характер представляет необходимое, но отнюдь не достаточное условие для продуктивности новой физической теории. Кроме того, после создания новой теории, аппарат логики необходим для получения конкретных следствий, вытекающих из основ теории.
Теория Бора сыграла огромную роль в создании атомной физики. В период ее развития (1913-1925) были сделаны важные открытия, навсегда вошедшие в сокровищницу физической науки. В то же время внутренняя противоречивость теории Бора привела в ряде проблем к существенным трудностям. Постепенно становилось очевидным, что эта теория, правильно объяснившая одни факты и неспособная истолковать целый ряд других, представляет собой лишь переходный этап на пути создания последовательной теории атомных и ядерных явлений. Такой последовательной теорией явилась квантовая механика. Применение ее к атомным процессам позволило не только объяснить огромное многообразие явлений атомной и ядерной физики, но и вскрыть физическое содержание самих постулатов Бора.
ОСНОВЫ ФИЗИКИ АТОМА
Корпускулярно-волновой дуализм вещества
В общем курсе физики обычно излагается форма квантовой механики, разработанная Э. Шредингером и получившая наибольшее применение при решении конкретных задач. Следует оговорить, что речь идет о нерелятивистской квантовой механике, которая справедлива для частиц, движущихся с малыми скоростями (по сравнению со скоростью света). Релятивистская квантовая механика, избавленная от указанного ограничения, имеет ряд блестящих достижений, но не представляет еще завершенной теории, хотя и составляет существенный элемент квантово-полевой картины мира.
Как известно, непосредственным толчком, побудившим Шредингера к созданию квантовой механики, было ознакомление с работами Л. де Бройля, обобщившего кор- пускулярно-волновой дуализм на вещество. Л. де Бройль указывал на то, что им руководила идея единства мира в смысле необходимости существования корпускулярноволнового дуализма у обоих видов материи – вещества и электромагнитных волн [3].
Необходимо однако подчеркнуть, что несмотря на единство, в этом смысле, свойств обоих видов материи имеется существенное различие между веществом и электромагнитным излучением. Это различие лучше всего проиллюстрировать следующей таблицей:
Свойства |
Корпускулярные |
Волновые |
Объект |
||
Вещество |
Классические |
Квантовые |
Излучение |
Квантовые |
Классические |
Соответственно волновые свойства были сначала открыты у излучения и значительно позднее у вещества (более чем через 100 лет). Следует сразу сделать существенную оговорку о том, что понятия частицы и волны в классической и квантовой физике имеют далеко не одинаковый смысл. Это один из примеров диалектического движения понятий, о котором писал В. И. Ленин: «...человеческие понятия не неподвижны, а вечно движутся, переходят друг в друга, переливают одно в другое, без этого они не отражают живой жизни. Анализ понятий, изучение их, «искусство оперировать с ними» (Энгельс) требует всегда изучения движения понятий, их связи, их взаимопереходов.» [4]. Более подробно этот вопрос анализируется позднее в связи с разбором соотношения неопределенностей и уравнения Шредингера.