Физика

Измерение — совокупность действий, выполняемых с помощью средств измерений в целях нахождения числового значения измеряемой величины в принятых единицах измерения. Именно в интерпретации результатов измерений выявляется глубина теоретических выводов. Теоретический уровень познания предусматривает обобщения, классификацию и анализ экспериментальных данных, установление физических законов, выдвижение научных гипотез и создание научных теорий.

Физические законы — устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе.

Гипотеза — научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого либо явления и требующее проверки на опыте. Если гипотеза выдерживает эмпирическую проверку, то она приобретает статус закона, в противном случае считается опровергнутой.

Теория — совокупность нескольких законов, относящихся к одной области познания.

Верховным судьей любой теории является опыт.

Если теория в целом не получает эмпирического подтверждения, то она дополняется новыми гипотезами. Подтвержденная опытами теория считается истинной до тех пор, пока не будет предложена новая теория, объясняющая новые эмпирические факты и включающая старую как частный случай.

Каждый шаг в изучении природы — это приближение к истине. Физика все глубже проникает в новые области и изучает такие объекты, которые не имеют аналогов в повседневности. В таких случаях в физике используют моделирование.

Моделирование позволяет воспроизвести определенные геометрические, физические, динамические характеристики объекта — оригинала.

Модель — упрощенная версия физической системы или процесса, сохраняющая их главные черты. Простейшими моделями являются, например, материальная точка, идеальный газ, кристаллическая решетка — так называемое предметное моделирование. При моделировании указываются пределы и границы допустимых упрощений.

Любая модель прежде всего подвергается проверке соответствия ее свойств свойствам моделируемой реальной физической системы. По мере усовершенствования модель становится более точной и совершенной. Модель, выдержавшая много испытаний, предсказавшая новые явления и указавшая на новые эксперименты, которые согласуются с ней, составляет основу физических теорий. Существует также знаковое, мысленное и компьютерное моделирование. При знаковом моделировании в качестве модели используют схемы, чертежи, формулы. Частным случаем знакового моделирования является математическое моделирование. При мысленном моделировании (мысленном эксперименте) ученый представляет себе объект, который не существует в реальности, и проводит над ним эксперимент в уме. Широко известны, например, мысленные эксперименты А. Эйнштейна (1879– 1955), создателя теории относительности, Г. Галилея и Дж. Максвелла (1831– 1879). Так, Галилей открыл закон инерции, мысленно уменьшая, а затем исключая силы трения при движении; Максвелл сформулировал парадокс с «демоном», т. е. мысленно расположил на пути летящих молекул гипотетического «демона», сортирующего молекулы по скоростям. При компьютерном моделировании в качестве модели выступает алгоритм — программа функционирования объекта.

Модели, которые имеются у физиков сегодня, в состоянии описать многие явления Природы. Однако завтра они будут усовершенствованы и после опытной проверки все больше способствовать познанию Природы.

Итак, физика — наука экспериментальная, так как основным методом изучения природы является эксперимент, который подтверждает или отрицает выводы физики.

Физическая величина. Физическая величина — это измеряемая характеристика физических объектов или явлений материального мира, общая в качественном отношении множества объектов или явлений, но индивидуальная для каждого из них в количественном отношении. Например, масса — физическая величина, являющаяся общей характеристикой физических объектов, для каждого объекта (автомобиль, телевизор, самолет и т. п.) имеет индивидуальное значение; удельное сопротивление — физическая величина — общая характеристика многих физических тел, но для разных металлов она различна.

Физическая величина представляет собой либо обобщенное понятие (длина, объем, масса, удельная теплоемкость, вязкость, сила электрического тока и т. д.), либо конкретную величину — индивидуальную характеристику отдельного объекта или явления: вместимость данного сосуда, напряженность электрического поля в данной точке пространства, удельная теплоемкость воды при температуре С и т. д. Указанному выше определению не удовлетворяют термины: электрическое поле, волна и т. д., а также наименования физических объектов: гиря, поезд, пуля и т. д.

Значение конкретной физической величины выражают произведением отвлеченного числа на принятую для данной физической величины единицу.

Что надо знать о физической величине:

·         физический смысл величины (какие свойства или качества вещества или поля она характеризует);

·         определение физической величины;

·         формулу, выражающую связь данной физической величины с другими;

·         единицу величины (наименование, обозначение, определение);

·         способы ее измерения.

Единицу физической величины можно установить произвольно, но если принять их независимыми друг от друга, то в формулах, связывающих различные физические величины, появится много переводных коэффициентов, что усложнит как сами формулы, так и вычисления. К. Гаусс показал, что для построения системы единиц физических величин достаточно выбрать несколько независимых друг от друга единиц. Эти единицы называют основными. Единицы физических величин, которые определяются по уравнениям с помощью основных единиц, называют производными.

Совокупность основных и производных единиц называют системой единиц. Международная система единиц СИ состоит из семи основных (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела), двух дополнительных (радиан и стерадиан) и большого числа производных единиц.

Для образования производных единиц из основных применяют определяющие уравнения связи между величинами. Некоторые производные единицы, получившие специальные наименования, могут быть использованы для образования других производных единиц СИ. Сокращенные обозначения единиц, названные в честь ученых, пишутся с прописной буквы.

Специальные наименования, присвоенные единицам, обязательны к применению. Например, для работы и энергии следует применять единицу джоуль (Дж), а не ньютон метр (Н м), несмотря на то, что Н м Дж.

Физические законы. Физические законы выражают в математической форме количественные связи между физическими величинами. Они устанавливаются на основе обобщения опытных (экспериментальных) данных и отражают объективные закономерности, существующие в Природе.

Установление физических законов связано с измерением физических величин. Очевидно, что результат измерений не может быть абсолютно точным. 

Физические законы справедливы для той области, для которой их применимость проверена опытным путем.

Например, законы механики Ньютона (классической механики) установлены для движения макроскопических тел, движущихся со скоростями много меньше скорости света. Дальнейшее развитие науки показало, что законы классической механики не справедливы, с одной стороны, для движения объектов микромира (отдельных атомов или элементарных частиц), с другой — для движения объектов, скорости которых сравнимы со скоростью света (м/с).

Физические законы, имеющие наиболее обширные области применимости, называют фундаментальными (например, закон сохранения энергии).

Изучая физический закон, нужно знать:

·         связь между какими явлениями (процессами) или физическими величинами он выражает;

·         формулировку закона и его математическое выражение;

·         опыты, подтверждающие справедливость закона;

·         учет и использование на практике;

·         границы применимости.

Понятие о физической картине мира. По мере накопления экспериментальных данных постепенно вырисовывалась и складывалась величественная и сложная картина окружающего нас мира и Вселенной в целом.

Научные поиски и исследования, проведенные на протяжении многих веков, позволили И. Ньютону (1643 –1727) открыть и сформулировать фундаментальные законы механики, которые в то время казались настолько всеобъемлющими, что легли в основу построения механической картины мира, согласно которой все тела должны состоять из абсолютно твердых частиц, находящихся в непрерывном движении. Взаимодействие между телами осуществляется с помощью сил тяготения (гравитационных сил). Все многообразия окружающего мира, по Ньютону,  заключалось в различии движения частиц.

Механическая картина мира господствовала до тех пор, пока Дж.Максвеллом (1873) не были сформулированы уравнения, описывающие основные закономерности электромагнитных явлений. Эти закономерности не могли быть объяснены с точки зрения механики Ньютона. В отличие от классической механики, где предполагается, что взаимодействие между телами осуществляется мгновенно (теория дальнодействия), теория Максвелла утверждала, что взаимодействие происходит с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме, посредством электромагнитного поля (теория близкодействия). Создание специальной теории относительности — нового учения о пространстве и времени — позволило полностью обосновать электромагнитную теорию.

В состав всех без исключения атомов входят электрически заряженные частицы. С помощью электромагнитной теории можно объяснить природу сил, действующих внутри атомов, молекул и макроскопических тел. Это положение легло и в основу создания электромагнитной картины мира, согласно которой все происходящие в окружающем нас мире явления пытались объяснить с помощью законов электродинамики. Однако объяснить строение и движение материи только электромагнитными взаимодействиями не удалось.

Дальнейшее развитие физики показало, что кроме гравитационного и электромагнитного взаимодействий существуют и другие типы взаимодействия. Первая половина XX в. ознаменовалась интенсивным изучением строения электронных оболочек атомов и тех закономерностей, которые управляют движением электронов в атоме. Это привело к возникновению новой отрасли физики — квантовой механики. В квантовой механике используется понятие дуализма: движущаяся материя является одновременно и веществом, и полем, т. е. обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. В классической же физике материя всегда либо совокупность частиц, либо поток волн.

Развитие ядерной физики, открытие элементарных частиц, исследование их свойств и взаимопревращений привели к установлению еще двух типов взаимодействий, названных сильными и слабыми.

Таким образом, современная физическая картина мира предполагает четыре типа взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Слабое взаимодействие проявляется в основном при распаде элементарных частиц. Итак, учение о строении материи в настоящее время является атомистическим, квантовым, релятивистским, в нем применяются статистические представления.