Версия 12:53, 26 марта 2012

Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Парадоксы Движения

2.2. Парадоксы Движения  

Виды движения:       Механическое перемещение - простейшее.
                     Теплопередача. Неупорядоченное тепловое.
                     Электрический ток. Радиоволны. Свет.
                     Рост организмов. Мышление человека.

Самое простое движение - механическое. Но и тут не все очевидно. Что движется - объект или состояние? Чтобы пояснить, почему возникает такой вопрос,  приведем  сначала  короткое  стихотворение  А.С.  Пушкина «Движение»:

   “Движенья - нет!” - сказал мудрец брадатый.
    Другой смолчал и стал пред ним ходить.  
    Сильнее он не мог бы возразить.
    Хвалили все ответ замысловатый.

                      Но, господа! Забавный случай сей
                      Другой пример на память мне приводит:
                      Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,
                      Однако ж прав упрямый Галилей!

В  стихотворении речь идет о диспуте двух известных мыслителей античности Зенона и Демосфена. Первый утверждал отсутствие движения. В доказательство  он  приводил  следующее  логическое  рассуждение.  Пусть  из  лука выпущена стрела. При полете она последовательно проходит одну точку своей траектории за другой.  

карт
Рис. 2.2. Полет стрелы

Что  значит  «проходит»? Это  значит, что она там находится некоторое, пусть даже  малое  время  в  покое.  Отсюда  следует парадоксальный вывод: в любой (истинный,
мгновенный)  момент  времени  стрела  неподвижна. «Движенья – нет».

Вообще-то  ответ  Демосфена  был  не по  правилам  научного  диспута  о  высокой
материи.  Он  не  стал  обращаться  к  рациональной  половине  мышления  и  искать  логическое  обоснование. Он  просто показал, как человек воспринимает движение интуитивно. Движение есть, и это  самодостаточный факт. Апория «стрела  Зенона»  в  античности  так  и  не была разрешена.

Современное естествознание предпочитает рассматривать не движение объектов,  а  изменение  их  состояния.  Для  пояснения  сути  дела  рассмотрим некоторые примеры.

Пример 1. Гирлянда огней.

В новогоднем стихотворении С. Маршак верно подметил: «Как по лестнице, по елке огоньки взбегают ввысь». Мы наблюдаем движение объекта - огонька по неподвижной гирлянде.

карт
Рис. 2.3. Схема движения огонька лампы

Для лестницы характерно определенное расстояние между  ступенями. В гирлянде - это расстояние между соседними лампочками. Поэтому движение  огонька -  дискретное. Можно  определить  среднюю  скорость  движения огонька за время пробега от низа до верха гирлянды. Но можно ли спросить: как движется огонек между соседними лампочками?  

Пример 2. Движение ионной вакансии.

В электрическом поле по ряду положительно заряженных ионов Na+ в кристалле NaCl движется вакансия (вакантное для иона место).  

карт
Рис. 2.4. Схема движения вакансии иона

Каждый  из  ионов  смещается  вправо только  до  соседнего  свободного  узла.  Вакансия  же  пробегает  в  обратном  направлении по всему ряду ионов. Объект, движение которого мы наблюдаем - вакантное состояние  узла  решетки.  В  отличие  от  первого примера, при смещении ионов пустое место непрерывно «перетекает» по цепочке.
 
Пример 3. Игра «пятнадцать».

В  этом  случае  на 16  мест  игрового  поля  одно остается свободным (вакантным). Передвигая  в  двух  направлениях  фишки,  мы  вызываем движение вакансии по всему полю. Каждый ход вызывает  изменение  состояния  всего  игрового поля.

карт
Рис. 2.5. Игра «пятнадцать»

Примеры 2 и 3 иллюстрируют эстафетный механизм  движения,  когда  сигнал  или  эстафетная  палочка  проходит  весь  путь  за  счет  отдельных  этапов.  Подобным  же образом  движутся  дырки  в  полупроводниках. (Термин дырка означает вакантное энергетическое состояние.)

Пример 4.Экран монитора компьютера.

Все поле экрана монитора разбито на небольшие клетки - пиксели, координаты которых целочисленные. Чтобы на черном поле экрана высветить один пиксель, необходимо направить в  точку с его координатами  электронный  луч. Последовательность  соседних  пикселей  образует  линию. При  построении графиков на экране мы наблюдаем переход отдельных пикселей из «выключенного»  состояния (не  светятся)  во  включенное. На  экране  можно отобразить стрелу. Если значения координат каждого пикселя стрелы по горизонтальной оси возрастут на единицу,  то вся фигура сдвинется вправо на один почти незаметный шаг. Задав соответствующую программу, можно показать движение экранной (компьютерной) стрелы. Механического движения пикселей нет. Тем не менее мы наблюдаем движение объекта - стрелы. Для него можно определить среднюю скорость движения по экрану. Чем вызвано перемещение  наблюдаемого  объекта? Изменением  состояния  набора  пикселей. Поэтому, описанию движения стрелы как объекта, имеющего характеристики механического движения - траекторию и скорость, можно дать эквива-
лентное описание. Оно не будет использовать понятия механики. Вместо этого оно будет описывать изменения во времени состояния экрана компьютера.  
 
Приведенные примеры показывают следующее.  

1. Мы можем  наблюдать  движение  не  только материальных  объектов (точек или тел), но и состояний. Это могут быть активные состояния элементов системы или даже «пустота» - вакансии в пространственном расположении  элементов  или  вакансии  в  энергетических  уровнях  системы.  В  любом случае состояние оказывается информационно-значимым, выделенным.

2.  Движение  состояний,  в  отличие  от  движения  материальных  точек, может быть  дискретным, то есть пространственно или энергетически разделенным.  

3. Иногда один и тот же процесс может быть описан двумя способами - как движение объекта и как движение состояния (последний пример с экранной стрелой).

Квантовая механика описывает движение электрона в атоме, как изменение  состояния. При  переходе  электрона  с  одного  энергетического  уровня на другой изменяется состояние атома. Вопрос о том, как движется электрон между  уровнями,  равноценен  вопросам  о  движении  пикселя между  выключенным  состоянием и  включенном или  о  движении  огонька между  лампочками. Подобные вопросы просто не имеют физического содержания. Иными словами, движение электрона в атоме, то есть связанного с ядром атома, - это движение (эволюция) состояния. Движение же свободного электрона, напри-
мер в электронно-лучевой трубке, проще и понятнее описывать как  движение по траектории объекта с известными значениями массы и заряда.



Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.