Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
В.А. Жексенбекова, Т.Т. Данияров, М.Ш. Алинова
ФИЗика
Павлодар
Учебник рекомендован к изданию учебно-методической секцией по специальностям профессионального обучения, искусства и услуг Республиканского учебно-методического совета (РУМС) МОН РК при ЮКГУ им. М. Ауэзова, протокол №4 от 22.05.09
Рецензенты:
Т.С.Рамазанов - доктор физико-математических наук, профессор, КазНУ им. Аль-Фараби, г. Алматы;
С.К. Тлеукенов - доктор физико-математических наук, профессор, ПГУ им.С.Торайгырова, г. Павлодар;
А.М. Мубараков – доктор педагогических наук, профессор, Инновационный Евразийский университет, г. Павлодар.
В.А. Жексембекова, Т.Т. Данияров, М. Ш. Алинова
А50 Физика: учебник. Павлодар: Кереку, 2009. 370 с.
ISBN 9965 - 9965 - 32 – 910-9
В учебнике обобщен опыт подготовки будущих педагогов профессионального обучения к профессиональной деятельности через раскрытие содержания и структуры курса физики с учетом достижений современной науки и практики.
В курсе физики рассматриваются вопросы, предусмотренные требованиями стандарта специальности, которые должны обеспечить будущему педагогу профессионального обучения основы его теоретической подготовки в различных областях физической науки.
Учебник предназначен для учащихся колледжей и студентов специальности 0505120 –Профессиональное обучение, педагогов и работников организаций профессионального образования.
А 1604000000
ISBN 9965 - 9965 - 32 – 910-9
Жексембекова В.А., Данияров Т.Т., Алинова М.Ш., 2009
ПГУ им. С. Торайгырова, 20099
Введение Физика как наука. Содержание и структура физики
«Физика»- по-гречески «природа». Наряду с другими естественными науками физика изучает свойства окружающего нас мира, строение и свойства материи, законы взаимодействия и движения материальных тел. Физика - наука о наиболее простых общих свойствах материи. Среди всех наук о природе физика занимает особое положение: это есть наука о наиболее общих свойствах и формах движения материи. Материя находится в непрерывном движении, под которым понимается всякое изменение вообще. Движение представляет собой неотъемлемое свойство материи, которое несотворимо и неуничтожимо, как и сама материя. Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются формами бытия материи.
Процесс познания в физике, как и в любой науке, начинается либо с наблюдения явлений в естественных условиях, либо со специально поставленных опытов - экспериментов. Результат эксперимента, при постановке которого исследователь уже руководствуется определенной гипотезой, дает возможность проверить гипотезу, уточнить и расширить ее до степени теории, установить физический закон, т. е. установить характер объективной зависимости между различными физическими величинами. Опыт (наблюдение, эксперимент, практика) является источником всех наших знаний.
Физические законы устанавливаются на основе обобщения опытных фактов и выражают объективные закономерности, существующие в природе. Эти законы обычно формулируются в виде количественных соотношений между различными величинами.
Основным методом исследования в физике является опыт, т. е. наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Экспериментально могут быть вызваны явления, которые естественно в природе не наблюдаются. Например, из числа известных в настоящее время химических элементов более десяти в природе пока не обнаружены и были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.
На основе накопленного экспериментального материала строится предварительное научное предположение о механизме и взаимосвязи явлений - создается гипотеза. Гипотеза - это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления и требующее проверки и доказательства для того, чтобы стать научной теорией или законом. Правильность высказанной гипотезы проверяется посредством постановки соответствующих опытов, путем выяснения согласия следствий, вытекающих из гипотезы, с результатами опытов и наблюдений. Успешно прошедшая такую проверку и доказанная гипотеза превращается в научный закон или теорию.
Физическая теория представляет собой систему основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих объективные закономерности природы. Физическая теория дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения.
Вся история науки показывает, что процесс познания материального мира не заканчивается каждым таким кругом - от опыта к теории и от теории обратно к опыту. Очень скоро обнаруживаются новые области явлений и накапливаются факты, объяснение которых не укладывается в рамки существующих теорий и требует выдвижения новых гипотез.
Научное исследование является единством теории и практики при решающей роли практики и ведущей роли теории. Без теоретических обобщений, без указаний теории о разумном направлении экспериментов невозможно движение науки вперед. Развитие теоретических представлений происходит посредством замены одних устаревших теорий другими, более совершенными, которые по-новому, точнее объясняют возросший круг изученных явлений и в то же время сохраняют в себе все зерна истины, имевшиеся в старых теориях.
Цели, которые ставятся при изучении физики в вузах, многообразны. Важнейшая из них состоит в ознакомлении с основными физическими явлениями, их механизмом, закономерностями и практическими приложениями. Этим закладывается физическая основа для изучения последующих общетехнических и специальных дисциплин. Этими главнейшими задачами и определяются выбор основных изучаемых разделов физики и объем их изложения.
То обстоятельство, что изучение физики начинается с изучения механического движения тел, не случайно и обусловлено не только исторической последовательностью развития физики. Несмотря на то, что механическое движение представляет собой самую простую форму движения, к современному его представлению шли долго. Особую роль в становлении классической механики играли исследования И. Ньютона.
Перед формулировкой основных законов механики Ньютон уточняет основные понятия, необходимые для их определения. Одно из основных следствий законов механики гласит: «Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство или движется равномерно и прямолинейно без вращения». В другом месте Ньютон утверждает: «Может оказаться, что в действительности не существует покоящегося тела, к которому можно было бы относить места и движения прочих», и, таким образом, он считает, что наблюдаемые нами движения относительны и абсолютного движения не существует. Но он знает также, что ускоренное движение системы отсчета проявляется динамически, вызывая явление инерции.
Ньютон принимает, что в природе существует абсолютный покой, абсолютно неподвижная система отсчета. Это пустое однородное неподвижное пространство атомистов и Евклида - чистое вместилище всех вещей. Существенно, что наряду с абсолютным пространством Ньютон признает и абсолютное время, текущее само по себе, безотносительно к каким-либо процессам. Вот как он определяет абсолютное и относительное время и пространство.
«I. Абсолютное , истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Абсолютное время различается в астрономии от обыкновенного, солнечного времени, уравнением времени.
Относительное , кажущееся, или обыденное, время - есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год». Наше измерение времени, как несовершенное, повседневное (от зари до зари), так и точное, астрономическое время, дает нам относительное, или обыденное, время, основанное на наблюдаемых нами движениях. Эти движения, даже вращение Земли, могут быть не вполне равномерными, в то время как истинное математическое время течет само по себе абсолютно равномерно. Постигая относительное время, конструируя все более и более точные часы, мы имеем в виду недостижимый идеал, истинное, абсолютное время.
«II. Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.
Относительное пространство есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное: так, например, протяжение пространства подземного воздуха или надземного, определяемых по их положению относительно Земли»
«III. Место есть часть пространства, занимаемого телом, и по отношению к пространству бывает или абсолютным, или относительным»
«IV. Абсолютное движение есть перемещение тела из одного абсолютного его места в другое, относительное - из относительного в относительное же».
Из приведенных определений Ньютона вытекает, что:
1) пространство и время обладают объективной реальностью; это правильно;
2) пространство и время не связаны органически с материей; это неверно. Такой подход к понятиям о пространстве и времени метафизичен. Концепция абсолютного пространства- времени, оторванного от материальных тел и реальных процессов,- метафизична. Ньютон сам упорно стремился преодолеть отмеченную выше метафизичность сделанных им определений пространства и времени. Ньютон видел, что для преодоления метафизичности необходимо установить связь пространства и времени с материей. Но из-за тогдашнего невысокого уровня научных познаний выводы Ньютона, правильные по существу, еще не имели должной широты.
Но, несмотря на это, важно, что основой классической физики были законы, установленные Ньютоном для движения тел в абсолютном евклидовом пространстве. По принципу относительности это пространство представлялось любой системой отсчета, в которой не проявляется ощутимым образом действие инерционных сил. То обстоятельство, что абсолютное пространство не ощущается нашими чувствами, ни в какой мере не поколебало убежденности Ньютона в том, что понятия об абсолютном пространстве и абсолютном времени должны быть положены в основу механики. Объективная реальность абсолютного пространства и абсолютного времени для Ньютона не подлежала сомнению, поэтому и к понятиям «покой» и «равномерность» Ньютон относился, как к понятиям, выражающим объективную реальность, вне зависимости от того, легко или трудно нам распознать эту реальность. Ньютон говорит: «Может оказаться, что в природе не существует покоящегося тела, к которому можно было бы относить места и движения прочих Возможно, что не существует в природе такого равномерного движения, которым время, могло бы измеряться с совершенной точностью». Ньютон считает, что эти вопросы должны быть исследованы и изучены. Не останавливаясь ни перед какими трудностями, Ньютон видел задачу механики и физики в «нахождении истинных движений тел по причинам, их производящим, по их проявлениям и по разностям кажущихся движений».
Многие вопросы, возникающие сразу после рождения нового физического понятия, проясняются постепенно, по мере развития физики. Это приводит дальше к расширению и уточнению идей ученых.
Во второй половине XIX в. была создана теория электромагнитного поля, открыты и изучены электромагнитные волны. На этой базе началось бурное развитие радиотехники. Созданная во второй половине XIX века молекулярно-кинетическая теория исходила из положения, что все тела построены из мельчайших частичек, находящихся в непрерывном движении. Эти частички были названы атомами, что по-гречески значит «неделимые». Однако уже в конце XIX века были обнаружены испускаемые атомами еще более мелкие (по массе) частички - отрицательно заряженные электроны. Экспериментальное открытие электрона, радиоактивности, термоэлектронной эмиссии (испускание нагретыми металлами электронов), фотоэффекта (вырывание электронов из металлов под действием света) и других явлений - все это указывало на то, что атом вещества является сложной системой, построенной из более мелких частиц. Перед физикой встала проблема строения атома. И в начале XX века было доказано, что атом имеет ажурное строение, а в центре его расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома.
Начало XX столетия ознаменовалось созданием теории относительности, которая стала ведущей теорией движений со скоростями, близкими к скорости света, и явилась основой методов расчета ускорителей заряженных частиц, применяемых в современной ядерной технике. Этот период характеризуется настойчивыми попытками проникнуть во внутреннее строение атомов. Ключом к выяснению строения атомов послужило изучение атомных спектров. Первый разительный успех в объяснении наблюдаемых спектров принесла теория атома, развитая Нильсом Бором в 1913 г. Однако эта теория носила явные черты непоследовательности: наряду с подчинением движения электрона в атоме законам классической механики, она налагала на это движение специальные квантовые ограничения. За эту непоследовательность теории вскоре пришлось расплатиться. После первых успехов в объяснении спектра простейшего атома - водорода - обнаружилась неспособность теории Бора объяснить поведение атомов с двумя и большим числом электронов.
Назрела необходимость создания новой целостной теории атомов. Начало созданию такой теории было положено в 1924 г. смелой гипотезой Луи де Бройля. К тому времени было известно, что свет, будучи волновым процессом, вместе с тем в ряде случаев обнаруживает корпускулярную природу, т. е. ведет себя как поток частиц. Введя представление об испускании света отдельными порциями - квантами, Макс Планк (1858-1947) в 1900 г. решил задачу об излучении абсолютно черного тела. Таким образом, на пороге XX столетия появилось понятие кванта, играющее в современной физике исключительно важную роль и приведшее к созданию квантовой механики.
Де Бройль высказал мысль, что и частицы вещества, в свою очередь, должны обнаруживать при определенных условиях волновые свойства. Гипотеза де Бройля вскоре получила блестящее экспериментальное подтверждение: было доказано, что с частицами вещества связан некий волновой процесс, который должен быть учтен при рассмотрении механики атома. Результатом этого открытия было создание Э. Шредингером и В. Гейзенбергом новой физической теории - волновой или квантовой механики. Квантовая механика достигла поразительных успехов в объяснении атомных процессов и строения вещества. В тех случаях, когда удалось преодолеть, математические трудности, были получены результаты, превосходно согласующиеся с опытом.
Последние 100 лет внесли существенные изменения в положение физики среди других наук о природе. В 1919 г. удалось впервые расщепить атомное ядро и показать сложность его строения. Были открыты многочисленные новые так называемые элементарные частицы (протон, нейтрон, гипероны, мезоны, нейтрино), и было показано, что они способны превращаться друг в друга. Используя современные сверхмощные ускорители ядерных частиц, в 1956 г. удалось получить новые, ранее не наблюдавшиеся и лишь теоретически предсказанные физиками частицы - антипротон, антинейтрон и др.
С каждым таким открытием непрерывно расширялись и углублялись представления о строении вещества и взаимодействии элементарных частиц, и возникала необходимость в создании новых гипотез и развитии новых теорий. Последние годы ознаменовались большими достижениями в области физики элементарных частиц, термоядерного синтеза, квантовой электроники, физики твердого тела и т. д.
Итак, начало XX века ознаменовалось в физике коренной ломкой целого ряда привычных понятий и представлений о строении вещества. Человек все более и более глубоко проникает в сущность окружающего его материального мира.
Толчком к развитию физики, как и всех других наук, послужили практические требования людей. Механика древних египтян и греков возникла непосредственно в связи с теми запросами, которые были поставлены тогдашней строительной и военной техникой. Также под влиянием развивающейся техники и военного дела были сделаны крупные научные открытия конца XVII и начала XVIII столетий.
Основоположник русской физики и химии М. В. Ломоносов сочетал свою научную работу с требованиями практики. Его многочисленные и разнообразные исследования по природе твердых и жидких тел, оптике, метеорологии, атмосферному электричеству были связаны с теми или другими практическими задачами.
В начале XIX столетия применение паровых машин сделало необходимым решение вопроса о наиболее выгодном превращении тепла в механическую работу. Этот вопрос не мог быть решен при узкотехническом подходе. После того как в 1824 г. французский инженер Сади Карно в общем виде рассмотрел проблему о переходе тепла в работу, можно было действительно увеличить коэффициент полезного действия тепловых машин. Одновременно работа Карно послужила фундаментом для возникновения общего учения о передаче и превращении энергии, получившего впоследствии название термодинамики. Таким образом, требования практики приводят к новым физическим открытиям, а эти последние служат базой для дальнейшего развития техники. Нередко, весьма теоретические, и отвлеченные на первый взгляд физические открытия со временем находят самые разнообразные и важные технические применения. Открытие в 1831 г. Фарадеем электромагнитной индукции сделало возможным широкое практическое использование электрических явлений. Открытый в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодический закон не только сыграл исключительную роль в развитии учения об атомах и природе химических явлений, но и является руководящим при решении огромного количества практических задач химии и физики.
В семидесятых годах прошлого столетия Максвелл создал общую теорию электромагнитных процессов. Исходя из этой теории, он пришел к выводу о возможности распространения электромагнитной энергии в виде волн. В 1888 г. Герц экспериментально подтвердил правильность этого вывода Максвелла. Несколькими годами позже открытие Максвелла - Герца было использовано А. С. Поповым для осуществления радиотелеграфии. В свою очередь развитие радиотехники открыло перед физиками новые, исключительно широкие экспериментальные возможности в изучении свойств природы. Теория Максвелла является фундаментом почти всех разделов электротехники и радиотехники
Исследования А. Г. Столетова по «актино-электрическим» явлениям (1888-1889) сыграли существенную роль в выяснении природы фотоэлектрического эффекта, широко применяемого в современной технике (телевидение, автоматика и т. д.).
В настоящее время исключительно важные проблемы, которые способны в корне изменить технику, как, например, непосредственное практическое использование солнечной энергии или получение энергии за счет термоядерных реакций требуют для своего решения дальнейшего глубокого изучения физических явлений. Решение принципиальных проблем физики элементарных частиц, которые имеют тесную связь с проблемой ядерных сил, решение проблемы управляемых термоядерных реакций в настоящее время являются передним краем наступательного фронта физических наук.
Связь физики с другими науками. Физика теснейшим образом связана с философией. Крупнейшие открытия в области физики, такие, как законы сохранения в механике, закон сохранения и превращения энергии, второй закон термодинамики и др., всегда являлись ареной острой борьбы между материализмом и идеализмом. В начале нашего столетия, в связи с потоком открытий современной физики, эта борьба стала особенно ожесточенной. Идеалистически настроенные физики и философы пытались и пытаются поныне использовать конкретные достижения физики, ломку установившихся физических теорий и представлений для «ниспровержения» материализма. Верные философские выводы из научных открытий в области физики всегда подтверждали и подтверждают основные положения диалектического материализма. Поэтому изучение этих открытий и их философское обобщение играют важную роль в формировании подлинно научного мировоззрения.
Последние 100 лет внесли существенные изменения в положение физики среди других наук о природе. В этот период физика развивалась такими темпами и достигла таких результатов, каких не знала ни одна из других естественных наук за всю историю своего существования. Остановимся кратко на связи ядерной физики с некоторыми другими науками.
Астрофизика наших дней исследует много таких проблем, успешное решение которых возможно лишь в том случае, если она будет опираться на достоверные законы физики.
Проблема генерирования энергии в недрах Солнца и других звезд при высоких температурах и проблема эволюции звезд тесно связаны с проблемой термоядерных реакций, протекающих в недрах звезд. Решение проблемы о возрасте космических объектов: метеоритов, Солнца, звезд, Галактики и доступной нам части Вселённой, по-видимому, должно проводиться с учетом периодов распада долгоживущих и «не имеющих родителей» радиоактивных элементов, например таких, как 92 U 238 , 19 K 40 и т.д.
Проблема происхождения космических лучей, проблема «рождения пар» частиц в космических условиях и многие другие также находятся в тесной связи с проблемами ядерной физики.
Геология, геофизика. Решение вопроса об истории Земли тесно связано с исследованиями естественной радиоактивности. Для определения абсолютного возраста Земли и разных ее слоев широко используются радиоактивные методы. Если определить соотношение между количеством радиоактивного элемента (урана) и количеством устойчивых продуктов распада (свинец, гелий) в исследуемой горной породе, то это даст возможность вычислить возраст исследуемой породы.
Тепловая история Земли и вопросы современного теплового состояния ее недр также тесно связаны с проблемами естественной радиоактивности. В настоящее время широко применяется радиометрическая аппаратура при разведке и разработке урановых и ториевых месторождений, в геофизических методах поисков и разведки нефти, угля и других ископаемых.
Археология. Метод изучения радиоактивности предметов нашел применение в определении возраста археологических находок, в. получении важных сведений об историческом прошлом человечества по этим вещественным историческим находкам. Это важное «поручение» - рассказать о прожитых веках - выполняет радиоактивный изотоп углерода 6 С 14 .
Под действием нейтронов космического излучения некоторая часть ядер азота земной атмосферы превращаются в ядра радиоактивного углерода 6 С 14 . На протяжении тысячелетней истории Земли концентрация углерода в атмосфере оставалась практически постоянной. Они входят в состав органических соединений путем усвоения углекислого газа зелеными листьями. Если растение, например дерево, погибает и перестает поглощать соединения углерода из атмосферы, то содержание радиоактивного углерода постепенно уменьшается, так как он распадается с периодом полураспада 5568 лет. Через 5568 лет активность (количество) углерода 6 С 14 в угле уменьшается в два раза и т. д.
Химия. В результате развития ядерной физики были искусственно получены новые заурановые элементы, которые не встречаются в природе. Большим и важным разделом современной химии является радиохимия, которая изучает химические и физико-химические свойства радиоактивных элементов, разрабатывает методы выделения и концентрирования радиоактивных изотопов.
Медицина. Естественные и искусственно полученные радиоактивные изотопы нашли широкое применение в медицине для диагностики и лечения некоторых заболеваний. Методом меченых атомов установлено, что кальций входит не только в кости, но и в нервную систему, цинк играет важную роль в образовании инсулина и в деятельности белых кровяных шариков. Радиоактивный фосфор используется для диагностики заболеваний крови, опухоли печени, заболеваний кожи.
Границы между физикой и некоторыми" другими естественными науками не могут быть установлены резко. Существуют обширные пограничные области между физикой и химией, возникли даже особые науки: физическая химия и химическая физика. Области знания, где физические методы применяются для изучения более или менее частных вопросов, также соединяются в особые науки: так возникла например, астрофизика, изучающая физические явления, в небе, и геофизика, изучающая физические протекающие в атмосфере Земли и в земной коре. Физические открытия часто давали толчок к развитию других наук. Изобретение микроскопа и телескопа ускорило развитие биологии и астрономии. Открытый физиками спектральный анализ стал одним из основных методов, астрофизики и т. д.
Известно, что развитие науки и техники определяется экономическими потребностями общества. Технический уровень производства в значительной степени зависит от состояния науки. История развития физики и техники показывает, какое большое значение имели открытия в физике для создания и развития новых отраслей техники. Физика явилась фундаментом, на котором выросли такие новые области техники, как электро- и радиотехника, электронная и вычислительная техника, приборостроение, ядерная техника и др. Физики вооружают промышленность принципиально новыми приборами и установками, создают основы новых, более совершенных методов производства. Быстро развилась физика полупроводников, почти немедленно получившая практическое приложение в технике полупроводниковых устройств и приборов.
Краткий методический анализ разделов физики. Механика. В современной физике основные понятия классической механики не утратили своего значения, а получили лишь дальнейшее развитие, обобщение и критическую оценку, с точки зрения пределов их применимости. При изложении физических основ механики следует избегать абстрактности механических представлений, максимально сближая теорию с реальными физическими явлениями и конкретной природой действующих сил. Ясная физическая и философская интерпретация представлений классической механики в современной физике должна явиться основным руководящим началом при изучении этого раздела программы курса физики.
В начале изложения кинематики точки и поступательного движения твердого тела следует остановиться на тех представлениях о свойствах пространства и времени, которые лежат в основе классической (ньютоновской) механики. В классической механике пространство и время рассматриваются как объективные формы существования материи, но в отрыве друг от друга и от движения материальных тел. Ньютон полагал, что тела и их движение не влияют ни на ход времени, одинаковый во всех инерциальных системах отсчета, ни на свойства пространства, описываемые геометрией Евклида. В ньютоновской механике признается возможность мгновенной передачи взаимодействий между телами.
При изложении кинематики необходимо использовать математический аппарат векторной алгебры и дифференциального исчисления. Следует получить выражения для касательной и нормальной составляющих ускорения материальной точки в криволинейном движении и ввести понятие о радиусе кривизны траектории (на примере плоской траектории).
Колебания здесь рассматриваются, как один из видов движения, наравне с прямолинейным и вращательным движениями. Для колебательного движения, как вида движения, необходимо ввести все кинематические характеристики – скорость, ускорение и т.д. Такое изложение приводит к значительной экономии времени и на математической стороне дела и в то же время позволяет наглядно сравнивать физические процессы, происходящие при соответствующих движениях. Это способствует выработке у студентов единого подхода к движениям различной физической природы. Везде, где возможно, следует использовать графический метод представления гармонического колебания с помощью вращающегося вектора. Нужно разъяснить студентам, что любые колебания линейной системы всегда можно представить в виде суперпозиции одновременно совершающихся гармонических колебаний с различными частотами, амплитудами и начальными фазами. Рассматривая резонанс при вынужденных колебаниях, необходимо обсудить это явление с энергетической точки зрения.
Изложение динамики материальной точки и поступательного движения твердого тела должно быть развитием и углублением соответствующего раздела курса физики средней школы. Внимание нужно сосредоточить на таких вопросах, как закон движения центра масс механической системы, закон сохранения импульса и условия сохранения проекции импульса на ось, работа силы, ее выражение через криволинейный интеграл и условие независимости работы от формы траектории, связь кинетической энергии механической системы с работой сил, приложенных к этой системе. Особенно тщательно и неторопливо следует излагать вопросы о поле как форме материи, осуществляющей взаимодействие между частицами вещества или телами, о потенциальной энергии материальной точки во внешнем поле (в частности, нужно рассмотреть энергию в поле центральных сил) и о законе сохранения механической энергии.
Кинематические характеристики вращательного движения твердого тела и их связь с линейными характеристиками целесообразно рассматривать непосредственно перед динамикой вращательного движения. Имеет смысл ввести понятие о моменте силы и моментеимпульса механической системы относительно неподвижной точки и оси.
Законы сохранения импульса, момента импульса и механической энергии обычно выводят, основываясь на законах Ньютона. Поэтому очень важно обратить внимание студентов па то, что в отличие от законов Ньютона и построенной на них классической механики, имеющих ограниченные области применимости, законы сохранения являются универсальными законами, которые отражают фундаментальные свойства симметрии пространства и времени. Для иллюстрации универсальности законов сохранения и эффективности их использования при решении реальных физических задач можно применить эти законы к расчету удара двух тел.
При изучении темы о неинерциальных системах отсчета и силах инерции нужно обратить внимание студентов на то, что два основных положения ньютоновской механики, согласно которым ускорение всегда вызывается силой, а сила всегда обусловлена взаимодействием между телами, не выполняются одновременно в системах отсчета, движущихся с ускорением. Полезно обсудить вопрос о том, являются ли силы инерции «реальными» или «фиктивными».
Молекулярная физика и термодинамики. В начале изложения этого. раздела курса необходимо разъяснить студентам два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода исследования физических свойств макроскопических систем - статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй - термодинамики. Нужно отметить, что свойства огромной совокупности молекул отличны от свойств каждой отдельной молекулы. Даже если, как это делается в классической статистической физике, базирующейся на механической картине мира, можно считать, что каждая молекула движется по законам ньютоновской механики, совокупное движение огромного коллектива молекул обладает специфическими закономерностями. Свойства макроскопической системы, в конечном счете, определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и средними значениями динамических характеристик этих частиц.
Говоря о термодинамическом методе, необходимо четко сформулировать определения таких основных понятий термодинамики, как термодинамическая система, термодинамические параметры (параметры состояния), равновесное состояние, уравнение состояния, термодинамический процесс, внутренняя энергия и т. д. Следует подчеркнуть, что термодинамика, в отличие от молекулярной физики, не связана с какой-либо конкретной физической картиноймира. Она основывается на нескольких универсальных принципах - началах термодинамики, надежно подтвержденных экспериментами. В этом, с одной стороны, сила термодинамического метода, пригодного дляанализасамых различных физических систем, а с другой - его слабость. Например, методами термодинамики нельзя вывести, уравнениесостояния системы, нельзя обосновать существование флуктуациии т.д.
Переходя к рассмотрению молекулярно-кинетической теории идеального газа, необходимо специально остановиться на той роли, которую играет в молекулярной физике модель рассматриваемой системы. Следует подчеркнуть, что выбор этой модели зависит не только от специфических особенностей системы, но и от того, какие ее свойства исследуются. Например, при расчете давления газа на стенки сосуда можно, в первом приближении, принять молекулы газа как упругие шарики малого размера, беспорядочно движущиеся в сосуде и сталкивающиеся только с его стенками. В то же время для объяснения процессов установления равновесного распределения молекул газа, а также закономерностей явлений переноса совершенно необходимо учитывать столкновения молекул друг с другом, хотя при этом по-прежнему можно пренебрегать их собственным объемом. В этой связи весьма поучительно сопоставить на лекции значения суммарного собственного объема и суммарной площади поверхности всех молекул газа, находящихся в сосуде, соответственно с объемом сосуда и площадью поверхности его стенок. Наконец, в молекулярно-кинетической теории теплоемкости газа необходимо уже учитывать внутреннюю структуру молекул. Для объяснения отличия свойств реальных и идеальных газов необходимо дальнейшее уточнение модели газа с тем, чтобы она учитывала действие сил взаимного притяжения и отталкивания молекул, как это сделано, например, в модели газа Ван-дер-Ваальса.
Следует достаточно обстоятельно рассмотреть такие вопросы, как молекулярно-кинетическая теория идеальных газов и ее ограниченность, границы применимости закона равнораспределения энергии, законы распределения Максвелла и Больцмана.
Первое начало термодинамики целесообразно сформулировать и записать для малого изменения состояния закрытой системы, т. е. системы, обменивающейся энергией с внешней средой только путем теплообмена и совершения работы. Необходимо разъяснить студентам, что внутренняя энергия в отличие от теплоты и работы является функцией состояния. Используя выражение для внутренней энергии идеального газа, полученное от молекулярно-кинетических представлений, следует записать уравнение первого начала термодинамики для идеального газа, а затем применить этот закон к расчету трех изопроцессов и адиабатного процесса идеальных газов. В заключение можно рассмотреть политропный процесс. Очень полезно приучать студентов к изображению и распознаванию всевозможных политропных процессов в различных термодинамических диаграммах. В особой тщательности изложения нуждается второе начало термодинамики и его статистическое толкование, а также понятие энтропии. Очень полезно привести несколько различных формулировок второго начала термодинамики и показать, что они полностью эквивалентны. Вряд ли целесообразно излагать доказательство теоремы Карно о независимости КПД обратимого цикла Карно от природы рабочего тела. Следует найти выражение для энтропии идеального газа и показать на этом примере, что энтропия в отличие от количества теплоты является функцией состояния.
Электричество и магнетизм. В электростатике, а затем в электродинамике впервые в курсе физики более или менее серьезно с соответствующим математическим аппаратом рассматривается теория поля. Следует обратить внимание студентов на связь теоремы Остроградского - Гаусса с законом Кулона и геометрическими свойствами пространства. Под этим же углом зрения целесообразно подходить к вопросу о распределении зарядов в проводниках, находящихся в электростатическом поле. Излагая закон сохранения электрического заряда, нужно вновь подчеркнуть роль и значение законов сохранения в физике. Не следует увлекаться расчетами сложных полей методом суперпозиции. Рекомендуется обратить основное внимание на физический смысл потенциала и его связь с напряженностью поля, на графическое представление и анализ зависимостей напряженности и потенциала от координат для электростатических полей, создаваемых простейшими симметричными системами зарядов.
Особого внимания заслуживает круг вопросов, связанных с расчетом электростатического поля в диэлектрических средах. Необходимо ввести классификацию зарядов на свободные и связанные, рассмотреть механизм и рассчитать поляризацию диэлектриков с неполярными и полярными молекулами. Электрическое смещение целесообразно ввести в связи с доказательством теоремы Остроградского - Гаусса для электростатического поля в диэлектрической среде (обычно это делают на примере поля в диэлектрической среде с неполярными молекулами). Далее рекомендуется получить условия, которым удовлетворяют векторы напряженности поля и электрического смещения на границе раздела двух диэлектрических сред, и рассмотреть примеры расчета напряженности и потенциала электростатического поля в диэлектрике. Можно ограничиться качественным феноменологическим описанием свойств сегнетоэлектриков.
При изложении вопроса об энергии заряженных проводников и конденсатора нужно указать, что, оставаясь в рамках электростатики, нельзя однозначно решить вопрос о локализации этой энергии. Целесообразно везде, где возможно, пользоваться законом сохранения и превращения энергии.
Раздел курса о постоянном токе не следует излишне растягивать на лекциях. При изложении классической электронной теории проводимости металлов нужно рассказать как о достижениях этой теории, так и о трудностях. В связи с законом Ома необходимо дать четкое разграничение таких понятий, как разность потенциалов, электродвижущая сила и электрическое напряжение. Следует также ввести точечные электрические характеристики и сформулировать законы постоянного тока в дифференциальной форме.
В качестве основной характеристики магнитного поля следует вводить магнитную индукцию, основываясь на силовом действии магнитного поля либо на небольшой элемент проводника с током, либо на небольшой замкнутый контур с током. Напряженность магнитного поля целесообразно вводить значительно позднее при изучении магнитного поля в веществе. Не следует увлекаться сложными расчетами магнитных полей на основе закона Био- Савара - Лапласа. Важно подчеркнуть, что для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции. Закон полного тока для поля в вакууме и теорему Остроградского - Гаусса достаточно показать на примере магнитного поля прямолинейного проводника с током.
Рассматривая действие магнитного поля на движущийся заряд, нужно уделить особое внимание вопросу о релятивистском толковании магнитного взаимодействия, а также анализу закономерностей движения заряженных частиц в магнитном поле и практическому использованию этих закономерностей в ускорителях, МГД-генераторах, масс-спектрометрах и т. д.
Закон электромагнитной индукции Фарадея - Максвелла достаточно рассмотреть качественно, на основе опытов. Во втором случае необходимо остановиться на том, за счет какой энергии совершается работа индукционного тока. Весьма поучительно обсудить возникновение ЭДС электромагнитной индукции и индукционного тока в неподвижном проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле.
При рассмотрении магнитных свойств вещества нужно остановиться на гипотезе молекулярных токов Ампера, а также ввести понятие макро- и микротоков и намагниченности. Рассматривая элементарную теорию диа- и парамагнетизма, следует указать на невозможность всякой классической теории магнитных свойств вещества. Напряженность магнитного поля целесообразно ввести в связи с обобщением закона полного тока на магнитное поле в веществе (обычно это делают на примере поля в диамагнитной среде). Затем рекомендуется получить условия, которым удовлетворяют магнитная индукция и напряженность магнитного поля на границе раздела двух сред. Изложение свойств ферромагнетиков должно носить феноменологический характер.
В заключение нужно рассмотреть основы теории Максвелла для электромагнитного поля. При этом особое внимание следует обратить на физический смысл тех обобщений экспериментально установленных законов, которые были сделаны Максвеллом. Необходимо подчеркнуть относительный характер электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля, т. е. их зависимость от выбора инерциальной системы отсчета.
Оптика и основы ядерной физики. Волновая оптика излагается как часть общего учения о распространении волн. Следует подчеркнуть общность явлений интерференции и дифракции волн любой природы. Изложение этих явлений должно подготовить студента к пониманию основ квантовой механики. Наряду с общими волновыми свойствами нужно отметить специфические особенности световых волн и их практические приложения. Когерентность и монохроматичность должны быть связаны с конечной длительностью свечения отдельного атома. Расчет интерференции многих волн полезно вести с помощью графического метода. Следует сопоставить способы наблюдения линий равного наклона и равной толщины.
Необходимо четко сформулировать условия наблюдения дифракции. При изложении принципа Гюйгенса - Френеля его нужно рассматривать как расчетный прием, заменяющий строгое, но очень трудное решение волнового уравнения. При рассмотрении излучения Вавилова - Черенкова нужно указать, что это классическое явление можно истолковывать на основе представлений об интерференции света. Объяснение двойного лучепреломления надо проводить на основе электромагнитных представлений и с учетом анизотропии электрических свойств кристаллов. Необходимо подчеркнуть значение поляризационных эффектов для экспериментального доказательства поперечности световых волн, а также обратить внимание на их практическое применение.
Проблема теплового излучения - важный этап в формировании научного мировоззрения студентов, так как с теорией равновесного излучения абсолютно черного тела связан переход от классической физики к квантовой. Важно подчеркнуть согласие классической теории с опытом в области малых частот и расхождение в области больших частот. Необходимо рассмотреть гипотезу Планка о квантовании энергии осцилляторов. Полный вывод средней энергии осциллятора и формулы Планка на основе этой гипотезы приводить не обязательно. Необходимо показать, что при малых частотах она переходит в классическую формулу Рэлея - Джинса.
После анализа трудностей классической физики в истолковании законов внешнего фотоэффекта нужно остановиться на гипотезе Эйнштейна о «световых квантах», позднее названных фотонами, т. е. о дискретной структуре излучения.
При изложении светового давления необходимо остановиться на опытах П. Н. Лебедева, являющихся образцом экспериментального искусства и сыгравших большую роль в утверждении электромагнитной теории света. Следует качественно пояснить.возникновение светового давления с классической (волновой) точки зрения и вывести формулу для давления на основе квантовых представлений. Эффект Комптона нужно рассматривать как наиболее полное и яркое представление корпускулярных свойств излучения. Он подтверждает универсальный характер законов сохранения.
Анализ двойственности свойств света должен подготовить студентов к восприятию двойственности свойств вещества. Важно подчеркнуть статистический характер попадания фотонов в отдельные точки экрана. Обсуждая опыты по дифракции электронов, нужно подчеркнуть их значение как доказательство существования у частиц вещества волновых свойств. Соотношение неопределенностей следует рассматривать в связи с корпускулярно-волновым дуализмом свойств материи. Следует подчеркнуть физический смысл соотношения неопределенностей как квантового ограничения применимости понятий классической механики. Затем необходимо рассмотреть соотношение неопределенностей для энергии и времени. В заключение нужно указать, что из соотношения неопределенностей вытекает необходимость описания состояния микрообъекта с помощью волновой функции, и разъяснить статистический смысл волновой функции частицы.
Физика атомного ядра. Говоря о составе ядра и его характеристиках, целесообразно, если позволяет время, начать с характеристики экспериментальных методов определения массы, линейных размеров, момента импульса и магнитного момента ядер атомов. Очень важно привести аргументацию невозможности существования электронов в ядрах атомов. Говоря о составе ядра и взаимодействии нуклонов в ядре, нужно рассмотреть свойства ядерных сил и остановиться на их обменной природе. Дефект массы должен трактоваться как разность между массой атома данного изотопа и его массовым числом, т. е. числом нуклонов в ядре. Надо указать на существование зависимости удельной энергии связи ядер (энергии связи, отнесенной к одному нуклону) от массового числа.
Рассматривая α-распад ядер, следует остановиться на квантовом механизме этого явления, служащего примером проявления туннельного эффекта. Важно обратить внимание студентов на дискретный характер энергетического спектра α-частиц и γ-излучения, свидетельствующий о квантовании энергии ядер. Необходимо специально остановиться на тех трудностях, которые возникли в согласовании закономерностей β-распада с законами сохранения энергии и момента импульса, и на том, что выход из этих трудностей был найден путем введения гипотезы о существовании нейтрино.
Рассмотрение ядерных реакций целесообразно начать с описания опыта Резерфорда и открытия искусственной радиоактивности. В этой связи нужно кратко остановиться на явлениях радиоактивности ядер, а также на явлении электронного захвата. Следует подчеркнуть, что во всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда (зарядового числа) и массы (массового числа). Особое внимание нужно уделить реакции деления тяжелых ядер и ее энергетическому балансу. Для обоснования реакции деления целесообразно использовать капельную модель ядра Н. Бора-Л И. Френкеля. В связи с рассмотрением ядерных реакций синтеза следует остановиться на проблеме осуществления управляемых термоядерных реакций. Необходимо подчеркнуть огромное значение этой проблемы, так как ее решение откроет человечеству неисчерпаемый источник энергии.
В заключение нужно остановиться на четырех фундаментальных взаимодействиях, на классификации, основных свойствах и взаимных превращениях элементарных частиц, избегая при этом излишней перегрузки памяти студентов большим количеством фактических данных. Следует отметить, что современные представления физики по этим вопросам еще далеки от завершенности.
Введение к теме проекта
Физика — это наука о природе, изучающая наиболее общие свойства окружающего нас мира. Она изучает материю (вещество и поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Главная цель науки - выявить и объяснить законы природы, которыми определяются все физические явления, для использования их в целях практической деятельности человека.
Мир познаваем, и процесс познания бесконечен. Изучение окружающего нас мира показало, что материя находится в постоянном движении. Под движением материи понимают любое изменение, явление. Следовательно, окружающий нас мир - это вечно движущаяся и развивающаяся материя.
Физика изучает наиболее общие формы движения материи и их взаимные превращения. Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами.
Тепловые явления в природе и технике
Оглянемся вокруг себя, и станет понятно, что физические явления окружают нас с детства, что мы многие физические знания о мире приобретаем наряду с обычным житейским опытом.
Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики.
Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.
Электрические явления в живой природе и техн ике
Магнитные явления на Зе мле
Развитие науки идёт по следующему пути. В основе лежит наблюдение за явлениями природы, затем проведение экспериментов, создание гипотез, справедливость которых подтверждается опытами. Если гипотеза экспериментально обоснована, то на её основе создаётся теория, объясняющая данное явление не только с качественной, но и с количественной стороны.
Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы.
Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий.
Физика в переводе с древне греческого - «природа». Физика — это область естествознания, наука, которая изучает наиболее фундаментальные закономерности, определяющие общую структуру и эволюцию материального мира. Являясь одним из трех китов, на которых зиждется современная система мироустройства, физика, является наукой о природе в самом широком понимании этого слова! Кроме того, что она изучает материальные и энергетические параметры организации вселенной, она также ставит перед собой задачи пояснения и логического обоснования фундаментальных взаимодействий в природе, управляющих движением материи.
На самом деле, именно физика является основным двигателем технического прогресса человечества в целом. Не умаляя в этом заслуг и иных отраслей научной мысли, все же хочется упомянуть о таких величайших гениях рода человеческого как Исаак Ньютон, Альберт Эйнштейн, Никола Тесла и пр., и пр. Именно физики позволили человечеству сделать не просто шаг в направлении своего технического развития, но совершить гигантский скачок!!!
За последние 100 лет человек овладел энергией атома, повсеместно внедрил электричество во все сферы жизни, создал то, без чего вы не смогли бы прочитать эти строки - интернет, завоевал воздушное, водное и начал исследование подводного пространства нашей планеты. Создал супер-прочные материалы, обладающие невиданными до селе свойствами, вычислительные машины, выполняющие миллиарды логических операций в секунду, проник в бескрайние глубины человеческого мозга, увидел мельчайших обитателей нашей планеты, которых теперь мы называем вирусами, научился искусственно выращивать и трансплантировать человеческие органы и вырвался за пределы атмосферы планеты земля. Всего не перечесть. Но и этого я думаю достаточно, чтобы понять в полной мере, что же из себя представляет физическая наука.
Может возникнуть вопрос, - зачем физика нужна Вам? Позволим себе ответить на него опять же таки вопросом, - а зачем сороконожке ноги, птицам крылья, а растениям солнце? Правильно, - да потому, что без всего этого им не обойтись!!! :) Физика сегодня необходима нам как никогда раньше. Ведь вы используете законы физики каждый день, в своей повседневной жизни…- когда готовите еду, смотрите телевизор или же просто нежитесь в ванной. Законы Архимеда, законы, применяемые в оптике, или физические законы из раздела гидро-газо-динамики стали для нас чем-то на столько обыденным, что мы уже просто не обращаем на них своего внимания, а зря…Физика - это в первую очередь, возможность человека как можно более глубже познать окружающий его мир, упорядочить систему его мировосприятия и осознать себя неотъемлемой его частью!
Физическая наука всеобъемлюща в своем стремлении охватить как можно больше и как можно более детально описать то, что попадает в поле зрения ее апологетов, и поэтому с полным правом может претендовать на почетное звание королевы наук!
Слов "физика" имеет греческое происхождение, дословно переводится как "природа". На сегодняшний день это одна из самых древних наук естественно-научного цикла, упоминания о которой встречаются ещё у древнегреческого учёного Аристотеля (6 век до н. э.). Что такое физика? Сегодня под ней понимают науку об общих законах природы, материи, её движении и строении. Классические законы физики считаются основой всего современного естествознания.
Предмет науки
Физику можно назвать наукой о природе в самом общем смысле этого слова. Она изучает вещество или материю, энергию, общие виды взаимодействия сил природы. Физика считается фундаментальной наукой, так как другие естественнонаучные дисциплины изучают лишь классы материальных систем, которые подчиняются физическим законам. Физика тесно связана с математикой, так как все физические законы описываются с помощью методов математического аппарата. Помимо этого, развитие некоторых областей математики произошло исключительно благодаря достижениям физиков. Так, существует целый раздел - математическая физика.
История физики
Становление современной физики прошло множество этапов, каждый из которых вносил что-то новое в физическое знание, модернизировал фундаментальные .
Древний период
Основы современной физики зародились еще в 5-6 вв. до н. э. Считается, что сам термин «физика» впервые опубликовал в своих трудах древнегреческий философ Аристотель. Другие греческие философы Евклид и Птолемей создали основы механики, оптики и других разделов современной физики. Большой вклад внесли и индийские ученые. Так, астроном Ариабхата предложил эллиптические модели планетарных систем, а мыслители Дигнага и Дхармакирти положили начало физике элементарных частиц.
Средневековье
В середине XVI века в Европе началась научная революция в связи с изобретением научных методов исследования. Так, в течение следующих 100 лет учёными были разработаны и доказаны основы всей современной фундаментальной физики. Этот период времени начинается работой Николая Коперника, а заканчивается целой плеядой талантливых исследователей: Г. Галилей, И. Кеплер, Б. Паскаль и, конечно, И. Ньютон, который создал основные законы механики.
Переломный момент
В конце XIX - начале XX века вся классическая физика была перевёрнута с ног на голову исследованиями А. Эйнштейна, Э. Резерфорда, Н. Бора. Они сменили механическую парадигму в физике, изобретя теорию относительности и теорию атома.
Современная физика
На сегодняшний день физика по большей частью занимается исследованием фундаментальных законов. Кроме того, акцент сместился на развитие ядерной физики благодаря открытию радиоактивности веществ Анри Беккерелем. Создание квантовой физике дало толчок к активному развитию микроэлектроники и физики твёрдого тела, без которых не представляется существование целых отраслей современной промышленности.
Направления физики как науки
Главными ветвями физики как науки являются следующие направления: теоретическая, прикладная и экспериментальная физика.
Теоретическая физика
Главной задачей теоретической физики является формулирование и уточнение основных законов и явлений природы. Помимо этого, теоретики непосредственно изучают, что такое физика, закладывают основы для практических исследований.
Экспериментальная физика
Этот раздел считается базовым для естественной науки, ведь именно с помощью экспериментов доказывают или опровергают законы и теории, ищут опытные данные. Теоретическая и экспериментальная физика дополняют и подкрепляют друг друга. Кстати, многие открытия в физике появились в эксперименте, а не путем теоретического анализа.
Прикладная физика
С момента своего зарождения физика ищет ответ на вопрос: где можно применить теоретические основы науки. Именно прикладная физика позволяет на практике использовать научные открытия, так именно этот раздел лежит в основе инженерии, всех изобретений. К примеру, ядерная физика помогла создать ядерную энергетику, а применение электричества было бы невозможно без знаний физики твёрдого тела. Прикладная физика имеет множество связей с другими науками, такими как химия, биология и т. д.
Основные физические теории
На сегодняшний день существует множество разделов физики, которые охватывают практически все явления природы. Вот основные из них:
- Классическая механика - раздел физики, который изучает изменения положения тела в пространстве, ищет причины, которые это вызывают. Механика основывается на теории И. Ньютона. Классическая механика делится на статику (изучает равновесие тел), кинематику (изучает геометрию движения тел) и динамику (изучает причины движения тел).
- Термодинамика - раздел физики, который изучает свойства макроскопических систем, способы и пути трансформации энергии в этих системах. Вся термодинамика делится на равновесную (классическую) и неравновесную.
- Теория электромагнетизма - изучает взаимодействия между частицами с электрическим зарядом. Сюда входят такие подразделы, как электростатика, электродинамика, магнитная гидродинамика и другие.
- Квантовая механика - раздел теоретической физики, который описывает физические явления, действие которых сравнимо с очень маленькой величиной - постоянной Планка.
- Молекулярная физика - раздел, изучающий свойства вещества на уровне молекул и атомов.
- Теория относительности - это современная теория, которая изучает пространство и время в контексте физических процессов.
- Ядерная физика - изучает физические свойства радиоактивных веществ.
- Оптика — раздел физики, изучающий явления, которые связаны с распространением электромагнитных волн, в частности свет, рентген и другие.
Развитие фотоники способно дать возможность создать принципиально новые - фотонные - компьютеры и другую фотонную технику, которые сменят существующую электронную технику. Развитие газодинамики привело к появлению самолётов и вертолётов.
Знания физики процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико -экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, - обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.
Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки .
Предмет физики
Количественный характер физики
Физика - количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определёнными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система единиц (СИ) , но большинство теоретиков по-прежнему предпочитает пользоваться Гауссовой системой единиц (СГС) .
Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.
С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определённое количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры. Для измерения количества теплоты была введена единица - калория , которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как и единица измерения температуры . И количество теплоты, и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам - постоянная Больцмана - считается физической постоянной.
История физики
Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии . В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы, не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, ещё в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а великий греческий учёный Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики. Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи об атомах , которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание , важнейшей составной частью которого стала физика. Уже Аристотель использовал название «Физика» в заголовке одного из основных своих трактатов . Несмотря на ряд неправильных утверждений, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе. Период до научной революцииСвойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привело к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией , начавшейся в середине XVI века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Персидский учёный Насир ад-Дин ат-Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы . Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В XII-XIII веках нашли свой путь в Европу также произведения индийских и персидских учёных. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн ал-Хайсам (Альхазен ) в своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, описывал эксперименты, подтверждающие его теорию зрения, согласно которой глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Ибн ал-Хайсама использовалась камера-обскура . С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света . Научная революцияПериод научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т. д. Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году , когда Николаю Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «О вращении небесных сфер ». После этого в течение примерно ста лет человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилей , Христиан Гюйгенс , Иоганн Кеплер , Блез Паскаль и др. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путём. В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные как законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширена Леонардом Эйлером , Жозефом Луи Лагранжем , Уильямом Роуэном Гамильтоном и другими . Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой , которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений. В России первым значительный вклад в развитие физической минералогии, математической физики, биофизики и астрономии в разделе изучения полярных сияний и физики «хвостов» комет внёс Михаил Ломоносов . Среди его наиболее значимых научных достижений в области физики - атомно-корпускулярная теория строения вещества и материи. Работы Ломоносова и его соратника Г. В. Рихмана внесли важный вклад в понимание электрической природы грозовых разрядов. Ломоносов не только провёл блестящее многолетнее исследование атмосферного электричества и установил ряд эмпирических закономерностей грозовых явлений, но и в работе «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» (1753) объяснил причину возникновения электричества в грозовых облаках конвекцией теплого воздуха (у поверхности Земли) и холодного воздуха (в верхних слоях атмосферы). Ломоносов разработал теорию света и выдвинул трёхкомпонентную теорию цвета, с помощью которой объяснил физиологические механизмы цветовых явлений. По мысли Ломоносова, цвета вызываются действием трёх родов эфира и трёх видов цветоощущающей материи, составляющей дно глаза. Теория цвета и цветового зрения, с которой Ломоносов выступил в 1756 году, выдержала проверку временем и заняла должное место в истории физической оптики. После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких учёных XVII и XVIII веков, как Роберт Бойль , Стивен Грей , Бенджамин Франклин . Сложились основные понятия - электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей показал связь электричества и магнетизма, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Из системы уравнений Максвелла следовало существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Экспериментальное подтверждение этому нашел Генрих Герц , открыв радиоволны . С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн, победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики. На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Огюстена Френеля и Томаса Юнга . В XVIII и начале XIX века были открыты основные законы поведения газов, а работы Сади Карно по теории тепловых машин открыли новый этап в становлении термодинамики . В XIX веке Юлиус Майер и Джеймс Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к расширенной формулировке закона сохранения энергии (первый закон термодинамики) . Благодаря Рудольфу Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики и введено понятие энтропии . Позже Джозайя Уиллард Гиббс заложил основы статистической физики , а Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии . К концу XIX века физики подошли к значительному открытию - экспериментальному подтверждению существования атома. В это время существенно изменилась и роль физики в обществе. Возникновение новой техники (электричества, радио, автомобиль и т. д.) требовало большого объёма прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории; такие же лаборатории стали появляться в других фирмах. Смена парадигмКонец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона - Морли выбил основу из-под ног классического электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффектом и изучение спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы. Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно чёрного тела, Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории - квантовой механики, которая ещё больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы. В том же 1905 году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку. Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел своё решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем . По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускулам, так и волнам. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракцией электронов. В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шрёдингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свою точную математическую формулировку, подтверждённую многочисленными экспериментами. В 1927 году была создана копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне . Физика современностиС открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакций новые частицы: нейтрон , протон , нейтрино , дали начало физике элементарных частиц . Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции - теорию Большого взрыва . Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе. Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определённые надежды связываются с теорией струн. Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества. Теоретическая и экспериментальная физика
Микроскопическая физикаМикроскопическая физика исследует «микромир», где размеры тел во много раз меньше размеров человека .
|
