Теоретические модели природных объектов и процессов
Экспериментально установленные законы являются фундаментом, на котором строится научная теория. В частности, экспериментально изученные закономерности взаимодействия заряженных тел, существования магнитного поля электрического тока и возникновения электромагнитной индукции послужили основой для создания одного из разделов теоретической физики – электродинамики.
Однако экспериментальные законы имеют существенный недостаток. Они могут ответить на вопрос «Как?», но не отвечают на вопрос «Почему?». Например, закон Паскаля говорит о том, как передается давление жидкостью или газом: давление, производимое на газ, передается им во все стороны одинаково. Но этот закон никак не объясняет, почему газ передает давление одинаково во все стороны и почему газ вообще передает производимое на него давление.
Следующим шагом в познании явлений (процессов) природы является создание научной теории этих явлений (процессов). Такая теория, опираясь на небольшое число исходных представлений об объектах природы, позволяет предсказать, что именно может происходить с этими объектами при тех или иных условиях. Например, кинетическая теория газа базируется на следующих представлениях о газе:
– газ состоит из частиц;
– частицы газа движутся, причем их движение беспорядочно и никогда не прекращается;
– среднее расстояние между частицами газа велико по сравнению с размерами самих частиц;
– движение каждой частицы и их взаимодействие при столкновениях описываются законами ньютоновской механики;
– средняя кинетическая энергия поступательного движения частиц газа связана с абсолютной температурой газа соотношением:
– давление газа – это результат беспрерывных толчков составляющих его частиц, которые налетают на поверхность стенок сосуда при своем беспорядочном движении.
Это представление позволило не только выяснить, как газ передает оказываемое на него давление, но и объяснить, почему давление передается. Более того, на основе перечисленных представлений о газе удалось получить закон, связывающий давление p газа с его температурой T и концентрацией частиц n: p = nkT. Это – теоретический закон. Он выявлен не экспериментально, а путем рассуждений и математических расчетов. Очерченные выше представления кинетической теории о газе составляют теоретическую модель газа, т.е. его образ, описанный на языке теории.
В кинетической теории вещества вы встречались также с теоретическими моделями жидкости и твердого тела. Они отличаются друг от друга и от модели газа компоновкой частиц:
– в жидкостях и твердых телах частицы сближены, соприкасаются друг с другом;
– в твердых кристаллических телах частицы расположены упорядоченно.
Такая теоретическая модель позволила нам объяснить испарение и отвердевание жидкостей, плавление твердых тел.
Теоретические модели лежат в основе не только кинетической теории вещества, но и всех других физических теорий. Так, электродинамика базируется на таком представлении (теоретической модели) об электрическом поле:
– электрическое поле существует вокруг любого электрического заряда;
– электрическое поле возникает и в пространстве, где меняется с течением времени поле магнитное;
– изменение с течением времени электрического поля вызывает в окружающем пространстве появление магнитного поля;
– электрическое поле действует на попадающий в него электрический заряд, причем способность поля действовать на заряд характеризуется (оценивается) напряженностью поля.
В предыдущем параграфе мы отмечали, что истинность теоретических законов не бесспорна. Почему? Во-первых, истинность самого представления той или иной теории об изучаемых природных процессах и объектах далеко не очевидна. В самом деле, мы не видим частиц газа, – как же можно быть твердо уверенным, что газ действительно состоит из частиц, да еще обладающих свойствами, которыми их «наделяет» кинетическая теория? А если усомниться в существовании самих частиц, то все остальные рассуждения, основанные на этой теоретической модели газа и приводящие к закону p = nkT, тоже вызывают сомнение. Не видим мы и электрического поля, не можем непосредственно с помощью своих органов чувств убедиться в его реальном существовании (и в наличии у него тех свойств, которые учитывает электродинамика).
Во-вторых, изучая закономерности какого-либо природного процесса, ученые должны сперва описать его. Любое же описание, будь то художественный образ на картине, в музыке, описание на бытовом языке или на языке науки, есть лишь модель изучаемого процесса, а не сам процесс. Как известно, у любого природного объекта и процесса неисчерпаемое множество свойств, и любое описание фиксирует только некоторые из них.
Немного больше о технологиях >>>
Вода - энергоноситель, способный заменить нефть.
Нефть, уголь и природный газ являются
основными энергоносителями, заменитель которым еще не найден. Все они являются
продуктами Солнца, за миллионы лет накопившиеся на Земле. Сжигание этих
энергоносителей с целью получения энергии является основным фактором
загрязнения окружающ ...
Обзор биологических наномоторов
Многие
молекулярные наномашины, давно работающие в живых организмах, могут послужить
первыми строительными кирпичиками будущих нанороботов. Причем таких
"моторов" в природе достаточно много. В этой статье мы расскажем об
основных биомоторах и их возможном применении в ...
