Що називають фізикою. Що таке фізика? Теоретична та експериментальна фізика

Міністерство освіти і науки Республіки Казахстан

Павлодарський державний університет

ім. С. Торайгирова

В.А. Жексенбекова, Т.Т. Даніярів, М.Ш. Алінова

ФІЗИКА

Павлодар

Підручник рекомендовано до видання навчально-методичної секції зі спеціальностей професійного навчання, мистецтва та послуг Республіканської навчально-методичної ради (РУМЗ) МОН РК при ЮКДУ ім. М. Ауезова, протокол №4 від 22.05.09

Рецензенти:

Т.С.Рамазанов - доктор фізико-математичних наук, професор, КазНУ ім. Аль-Фарабі, м. Алмати;

С.К. Тлєукенов – доктор фізико-математичних наук, професор, ПДУ ім.С.Торайгирова, м. Павлодар;

А.М. Мубараков – доктор педагогічних наук, професор Інноваційний Євразійський університет, м. Павлодар.

В.А. Жексембекова, Т.Т. Даніярів, М. Ш. Алінова

А50 Фізика: підручник.  Павлодар: Кереку, 2009.  370 с.

ISBN 9965 - 9965 - 32 - 910-9

У підручнику узагальнено досвід підготовки майбутніх педагогів професійного навчання до професійної діяльностічерез розкриття змісту та структури курсу фізики з урахуванням досягнень сучасної науки та практики.

У курсі фізики розглядаються питання, передбачені вимогами стандарту спеціальності, які мають забезпечити майбутньому педагогу професійного навчання теоретичної підготовкиу різних галузях фізичної науки.

Підручник призначений для учнів коледжів та студентів спеціальності 0505120 – Професійне навчання, педагогів та працівників організацій професійної освіти.

А 1604000000

ISBN 9965 - 9965 - 32 - 910-9

 Жексембекова В.А., Даніяров Т.Т., Алінова М.Ш., 2009

 ПДУ ім. С. Торайгирова, 20099

Фізика як наука. Зміст та структура фізики

«Фізика» - грецькою «природа». Поряд з іншими природничими науками фізика вивчає властивості навколишнього світу, будову і властивості матерії, закони взаємодії та руху матеріальних тіл. Фізика - наука про найпростіші загальні властивості матерії. Серед усіх наук про природу фізика займає особливе становище: це є наука про найбільш загальні властивості та форми руху матерії. Матерія перебуває у безперервному русі, під яким розуміється всяка зміна взагалі. Рух є невід'ємною властивістю матерії, яка неутворена і незнищена, як і сама матерія. Матерія існує і рухається у просторі та в часі, які є формами буття матерії.

Процес пізнання у фізиці, як і будь-якій науці, починається або зі спостереження явищ у природних умовах, або зі спеціально поставлених дослідів - експериментів. Результат експерименту,при постановці якого дослідник вже керується певною гіпотезою, дає можливість перевірити гіпотезу, уточнити та розширити її до ступеня теорії, встановити фізичний закон, тобто встановити характер об'єктивної залежності між різними фізичними величинами. Досвід(Спостереження, експеримент, практика) є джерелом всіх наших знань.

Фізичні законивстановлюються на основі узагальнення досвідчених фактіві висловлюють об'єктивні закономірності, що у природі. Ці закони зазвичай формулюються як кількісних співвідношень між різними величинами.

Основним методом дослідження у фізиці є досвід, тобто спостереження досліджуваного явища в точно контрольованих умовах, що дозволяють стежити за перебігом явища та відтворювати його щоразу при повторенні цих умов. Експериментально можуть бути викликані явища, які, природно, в природі не спостерігаються. Наприклад, з числа відомих в даний час хімічних елементів більше десяти в природі поки не виявлено і отримано штучним шляхом за допомогою ядерних реакцій.

На основі накопиченого експериментального матеріалу будується попереднє наукове припущення про механізм та взаємозв'язок явищ - створюється гіпотеза. Гіпотеза - це наукове припущення, що висувається для пояснення будь-якого факту чи явища і потребує перевірки та докази для того, щоб стати науковою теорією чи законом. Правильність висловленої гіпотези перевіряється у вигляді постановки відповідних дослідів, шляхом з'ясування згоди наслідків, які з гіпотези, з результатами дослідів і спостережень. Успішно пройшла таку перевірку і доведена гіпотеза перетворюється на науковий закончи теорію.

Фізична теоріяє системою основних ідей, які узагальнюють досвідчені дані і відбивають об'єктивні закономірності природи. Фізична теорія дає пояснення цілої галузі явищ природи з єдиної точки зору.

Вся історія науки показує, що процес пізнання матеріального світу не закінчується кожним таким колом – від досвіду до теорії та від теорії назад до досвіду. Незабаром виявляються нові області явищ і накопичуються факти, пояснення яких не вкладається в рамки існуючих теорій і вимагає висування нових гіпотез.

Наукове дослідження є єдністю теорії та практики при вирішальній ролі практики та провідній ролі теорії. Без теоретичних узагальнень, без вказівок теорії про розумний напрямок експериментів неможливий рух науки вперед. Розвиток теоретичних уявлень відбувається за допомогою заміни одних застарілих теорій іншими, досконалішими, які по-новому, точніше пояснюють зростання кола вивчених явищ і в той же час зберігають у собі всі зерна істини, що були в старих теоріях.

Цілі, які ставляться щодо фізики у вузах, різноманітні. Найважливіша з них полягає в ознайомленні з основними фізичними явищами, їх механізмом, закономірностями та практичними додатками. Цим закладається фізична основа вивчення наступних загальнотехнічних і спеціальних дисциплін. Цими найголовнішими завданнями і визначаються вибір основних розділів фізики, що вивчаються, і обсяг їх викладу.

Та обставина, що вивчення фізики починається з вивчення механічного руху тіл, невипадково і зумовлено як історичної послідовністю розвитку фізики. Незважаючи на те, що механічний рух є найпростішою формою руху, до сучасного його уявлення йшли довго. Особливу роль становленні класичної механіки грали дослідження І. Ньютона.

Перед формулюванням основних законів механіки Ньютон уточнює основні поняття, необхідних їх визначення. Одне з основних наслідків законів механіки свідчить: «Відносні рухи один до одного тіл, ув'язнених у якомусь просторі, однакові, спочиває це простір чи рухається рівномірно і прямолінійно без обертання». В іншому місці Ньютон стверджує: «Може виявитися, що насправді не існує тіла, що покоїться, до якого можна було б відносити місця і рухи інших», і, таким чином, він вважає, що рухи, що спостерігаються нами, відносні і абсолютного руху не існує. Але він також знає, що прискорений рухСистема відліку проявляється динамічно, викликаючи явище інерції.

Ньютон сприймає, що у природі існує абсолютний спокій, абсолютно нерухома система відліку. Це порожній однорідний нерухомий простір атомістів та Евкліда – чисте містище всіх речей. Істотно, що поряд з абсолютним простором Ньютон визнає і абсолютний час, що тече саме собою, безвідносно до будь-яких процесів. Ось як він визначає абсолютний і відносний час та простір.

«І. Абсолютне, справжнє математичне чассаме по собі і за самою своєю сутністю, без жодного відношення до чогось зовнішнього, протікає рівномірно і інакше називається тривалістю. Абсолютний час відрізняється в астрономії від звичайного, сонячного часу, рівняння часу.

Відносне, що здається, або повсякденне, час- є або точна, або мінлива, осягана почуттями, зовнішня, здійснювана з допомогою будь-якого руху міра тривалості, вживана у повсякденному житті замість справжнього математичного часу, як-то: годину, день, місяць, рік». Наш вимір часу, як недосконалий, повсякденний (від зорі до зорі), так і точний, астрономічний час, дає нам відносний, або звичайний час, заснований на рухах, які ми спостерігаємо. Ці рухи, навіть обертання Землі, може бути цілком рівномірними, тоді як справжнє математичне час тече саме собою абсолютно рівномірно. Осягаючи відносний час, конструюючи все більш і більш точний годинник, ми маємо на увазі недосяжний ідеал, справжній, абсолютний час.

«ІІ. Абсолютний простірза самою своєю сутністю безвідносно до чогось зовнішнього, залишається завжди однаковим і нерухомим.

Відносний простірє його міра або якась обмежена рухлива частина, яка визначається нашими почуттями за становищем його щодо деяких тіл і яке в повсякденному житті приймається за простір нерухоме: так, наприклад, протягом простору підземного повітря або надземного, що визначаються за їх становищем щодо Землі»

«ІІІ. Місцеє частина простору, що займає тіло, і по відношенню до простору буває або абсолютним, або відносним»

IV. Абсолютний рухє переміщення тіла з одного абсолютного його місця до іншого, відносне- з відносного в відносне».

З наведених визначень Ньютона випливає, що:

1) простір і час мають об'єктивну реальність; це правильно;

2) простір та час не пов'язані органічно з матерією; це не вірно. Такий підхід до понять про простір та час метафізичний. Концепція абсолютного простору-часу, відірваного від матеріальних тіл та реальних процесів, - метафізична. Ньютон сам завзято прагнув подолати зазначену вище метафізичність зроблених ним визначень простору та часу. Ньютон бачив, що з подолання метафізичності необхідно встановити зв'язок простору та часу з матерією. Але через тодішнього невисокого рівня наукових знань висновки Ньютона, правильні сутнісно, ​​ще мали належної широти.

Але незважаючи на це важливо, що основою класичної фізики були закони, встановлені Ньютоном для руху тіл в абсолютному евклідовому просторі. За принципом відносності цей простір уявлявся будь-якою системою відліку, у якій не проявляється відчутним чином дію інерційних сил. Та обставина, що абсолютний простір не відчувається нашими почуттями, жодною мірою не похитнуло переконання Ньютона в тому, що поняття про абсолютний простір і абсолютний час повинні бути покладені в основу механіки. Об'єктивна реальність абсолютного простору та абсолютного часу для Ньютона не підлягала сумніву, тому і до понять «спокойний» і «рівномірність» Ньютон ставився, як до понять, що виражають об'єктивну реальність, незалежно від того, легко чи важко нам розпізнати цю реальність. Ньютон каже: «Може виявитися, що в природі не існує тіла, що покоїться, до якого можна було б відносити місця і рухи інших Можливо, що не існує в природі такого рівномірного руху, яким час, міг би вимірюватися з досконалою точністю». Ньютон вважає, що ці питання мають бути досліджені та вивчені. Не зупиняючись ні перед якими труднощами, Ньютон бачив завдання механіки і фізики в «знаходженні істинних рухів тіл з причин, що їх виробляють, за їхніми проявами і різницею рухів, що здаються».

Багато питань, що виникають відразу після народження нового фізичного поняття, прояснюються поступово, з розвитком фізики. Це призводить далі до розширення та уточнення ідей вчених.

У другій половині ХІХ ст. була створена теорія електромагнітного поля, відкриті та вивчені електромагнітні хвилі. На цій основі почався бурхливий розвиток радіотехніки. Створена в другій половині XIX століття молекулярно-кінетична теорія виходила зі становища, що всі тіла побудовані з найдрібніших частинок, що перебувають у безперервному русі. Ці частинки були названі атомами, що грецькою означає «неподільні». Однак уже наприкінці XIX століття були виявлені атоми, що випускаються, ще більш дрібні (за масою) частинки - негативно заряджені електрони. Експериментальне відкриття електрона, радіоактивності, термоелектронної емісії (випускання нагрітими металами електронів), фотоефекту (виривання електронів з металів під впливом світла) та інших явищ - все це вказувало на те, що атом речовини є складною системою, побудованою з дрібніших частинок. Перед фізикою постала проблема будови атома. І на початку XX століття було доведено, що атом має ажурну будову, а в центрі її розташовано позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома.

Початок XX століття ознаменувався створенням теорії відносності, яка стала провідною теорією рухів зі швидкостями, близькими до швидкості світла, і стала основою методів розрахунку прискорювачів заряджених частинок, що застосовуються в сучасній ядерній техніці. Цей період характеризується наполегливими спробами проникнути у внутрішню будову атомів. Ключем до з'ясування будови атомів стало вивчення атомних спектрів. Перший разючий успіх у поясненні спостережуваних спектрів принесла теорія атома, розвинена Нільсом Бором в 1913 р. Однак ця теорія мала явні риси непослідовності: поряд з підпорядкуванням руху електрона в атомі законам класичної механіки, вона накладала на цей рух спеціальні квантові обмеження. За цю непослідовність теорії невдовзі довелося розплатитися. Після перших успіхів у поясненні спектра найпростішого атома - водню - виявилася нездатність теорії Бора пояснити поведінку атомів із двома та великим числом електронів.

Назріла потреба створення нової цілісної теорії атомів. Початок створення такої теорії було покладено 1924 р. сміливою гіпотезою Луї де Бройля. На той час було відомо, що світло, будучи хвильовим процесом, разом з тим часом виявляє корпускулярну природу, тобто веде себе як потік частинок. Ввівши уявлення про випромінювання світла окремими порціями - квантами, Макс Планк (1858-1947) 1900 р. вирішив завдання про випромінювання абсолютно чорного тіла. Таким чином, на порозі XX століття з'явилося поняття кванта, що грає в сучасній фізиці виключно важливу рольі що призвело до створення квантової механіки.

Де Бройль висловив думку, як і частинки речовини, своєю чергою, повинні виявляти за певних умов хвильові властивості. Гіпотеза де Бройля незабаром отримала блискуче експериментальне підтвердження: було доведено, що з частинками речовини пов'язаний хвильовий процес, який має бути врахований при розгляді механіки атома. Результатом цього відкриття було створення Е. Шредінгер і В. Гейзенберг нової фізичної теорії - хвильової або квантової механіки. Квантова механіка досягла разючих успіхів у поясненні атомних процесів та будови речовини. У тих випадках, коли вдалося подолати математичні труднощі, були отримані результати, які чудово узгоджуються з досвідом.

Останні 100 років внесли суттєві зміни у становище фізики серед інших наук про природу. У 1919 р. вдалося вперше розщепити атомне ядро ​​і показати складність його будови. Було відкрито численні нові так звані елементарні частинки (протон, нейтрон, гіперони, мезони, нейтрино), і було показано, що вони здатні перетворюватися один на одного. Використовуючи сучасні надпотужні прискорювачі ядерних частинок, в 1956 р. вдалося отримати нові, раніше не спостерігалися і лише теоретично передбачені фізиками частинки - антипротон, антинейтрон та ін.

З кожним таким відкриттям безперервно розширювалися і поглиблювалися уявлення про будову речовини та взаємодію елементарних частинок, і виникала необхідність у створенні нових гіпотез та розвитку нових теорій. Останні роки ознаменувалися великими досягненнями у галузі фізики елементарних частинок, термоядерного синтезу, квантової електроніки, Фізики твердого тіла і т.д.

Отже, початок XX століття ознаменувалося у фізиці корінною ламкою цілого ряду звичних понять та уявлень про будову речовини. Людина дедалі більше глибоко проникає в сутність навколишнього матеріального світу.

Поштовхом до розвитку фізики, як і інших наук, послужили практичні вимоги людей. Механіка стародавніх єгиптян та греків виникла безпосередньо у зв'язку з тими запитами, які були поставлені тодішньою будівельною та військовою технікою. Також під впливом техніки, що розвивається, і військової справи були зроблені великі наукові відкриття кінця XVIIта початку XVIII століть.

Основоположник російської фізики та хімії М. В. Ломоносов поєднував свою наукову роботуіз вимогами практики. Його численні та різноманітні дослідження за природою твердих та рідких тіл, оптики, метеорології, атмосферної електрики були пов'язані з тими чи іншими практичними завданнями.

На початку XIX століття застосування парових машин зробило необхідним вирішення питання про найбільш вигідне перетворення тепла на механічну роботу. Це питання було вирішено при вузькотехнічному підході. Після того як у 1824 р. французький інженер Саді Карно загальному виглядірозглянув проблему про перехід тепла у роботу, можна було справді збільшити коефіцієнт корисної дії теплових машин. Одночасно робота Карно послужила фундаментом для виникнення загального вчення про передачу та перетворення енергії, що згодом отримав назву термодинаміки. Таким чином, вимоги практики призводять до нових фізичних відкриттів, а ці останні є базою для подальшого розвиткутехніки. Нерідко, вельми теоретичні, і абстрактні на перший погляд фізичні відкриття згодом знаходять найрізноманітніші та найважливіші технічні застосування. Відкриття 1831 р. Фарадеєм електромагнітної індукції уможливило широке практичне використання електричних явищ. Відкритий в 1869 р. Д. І. Менделєєвим періодичний закон не тільки зіграв виняткову роль у розвитку вчення про атоми та природу хімічних явищ, але і є керівним при вирішенні величезної кількостіпрактичних завдань хімії та фізики.

У сімдесятих роках минулого століття Максвелл створив загальну теорію електромагнітних процесів. Виходячи з цієї теорії, він дійшов висновку про можливість розповсюдження електромагнітної енергії у вигляді хвиль. У 1888 р. Герц експериментально підтвердив правильність цього висновку Максвелла. Декількома роками пізніше відкриття Максвелла - Герца було використано А. С. Поповим для здійснення радіотелеграфії. У свою чергу, розвиток радіотехніки відкрив перед фізиками нові, виключно широкі експериментальні можливості у вивченні властивостей природи. Теорія Максвелла є фундаментом багатьох розділів електротехніки і радіотехніки

Дослідження А. Р. Столетова по «актино-електричним» явищам (1888-1889) зіграли істотну роль з'ясуванні природи фотоелектричного ефекту, широко застосовуваного у сучасній техніці (телебачення, автоматика тощо. буд.).

В даний час виключно важливі проблеми, які здатні докорінно змінити техніку, як, наприклад, безпосереднє практичне використання сонячної енергії або отримання енергії за рахунок термоядерних реакцій, вимагають для подальшого глибокого вивчення фізичних явищ. Вирішення принципових проблем фізики елементарних частинок, які мають тісний зв'язок з проблемою ядерних сил, вирішення проблеми керованих термоядерних реакцій в даний час є переднім краєм наступального фронту фізичних наук.

Зв'язок фізики коїться з іншими науками. Фізика тісно пов'язана з філософією.Найбільші відкриття у сфері фізики, такі, як закони збереження в механіці, закон збереження та перетворення енергії, другий закон термодинаміки та ін., завжди були ареною гострої боротьби між матеріалізмом та ідеалізмом. На початку нашого століття, у зв'язку з потоком відкриттів сучасної фізики, ця боротьба стала особливо жорстокою. Ідеалістично налаштовані фізики і філософи намагалися і намагаються досі використовувати конкретні досягнення фізики, ламання фізичних теорій, що встановилися, і уявлень для «повалення» матеріалізму. Вірні філософські висновки з наукових відкриттів у галузі фізики завжди підтверджували та підтверджують основні положення діалектичного матеріалізму. Тому вивчення цих відкриттів та його філософське узагальнення грають значної ролі у формуванні справді наукового світогляду.

Останні 100 років внесли суттєві зміни у становище фізики серед інших наук про природу. У цей період фізика розвивалася такими темпами і досягла таких результатів, яких не знала жодна з інших наук за всю історію свого існування. Зупинимося коротко на зв'язку ядерної фізикиз іншими науками.

Астрофізиканаших днів досліджує багато таких проблем, успішне вирішення яких можливе лише в тому випадку, якщо вона спиратиметься на достовірні закони фізики.

Проблема генерування енергії в надрах Сонця та інших зірок при високих температурах та проблема еволюції зірок тісно пов'язані з проблемою термоядерних реакцій, що протікають у надрах зірок. Вирішення проблеми про вік космічних об'єктів: метеоритів, Сонця, зірок, Галактики та доступної нам частини Всесвіту, мабуть, повинно проводитися з урахуванням періодів розпаду довгоживучих і «не мають батьків» радіоактивних елементів, наприклад, таких як 92 U 238 , 19 K 40 і т.д.

Проблема походження космічних променів, проблема «народження пар» частинок у космічних умовах та багато інших також у тісному зв'язку з проблемами ядерної фізики.

Геологія, геофізика.Вирішення питання історії Землі тісно пов'язані з дослідженнями природної радіоактивності. Для визначення абсолютного віку Землі та різних її верств широко використовуються радіоактивні методи. Якщо визначити співвідношення між кількістю радіоактивного елемента (урану) та кількістю стійких продуктів розпаду (свинець, гелій) у досліджуваній гірській породі, це дасть можливість обчислити вік досліджуваної породи.

Теплова історія Землі та питання сучасного теплового стану її надр також тісно пов'язані з проблемами природної радіоактивності. В даний час широко застосовується радіометрична апаратура при розвідці та розробці уранових та торієвих родовищ, геофізичних методах пошуків і розвідки нафти, вугілля та інших копалин.

Археологія.Метод вивчення радіоактивності предметів знайшов застосування у визначенні віку археологічних знахідок, ст. одержанні важливих відомостей про історичне минуле людства за цими речовими історичними знахідками. Це важливе «доручення» – розповісти про прожиті століття – виконує радіоактивний ізотоп вуглецю 6 С 14 .

Під дією нейтронів космічного випромінювання деяка частина ядер азоту земної атмосфери перетворюються на ядра радіоактивного вуглецю 6 14 . Протягом тисячолітньої історії Землі концентрація вуглецю в атмосфері залишалася практично незмінною. Вони входять до складу органічних сполук шляхом засвоєння вуглекислого газу зеленим листям. Якщо рослина, наприклад дерево, гине і перестає поглинати сполуки вуглецю з атмосфери, вміст радіоактивного вуглецю поступово зменшується, оскільки він розпадається з періодом напіврозпаду 5568 років. Через 5568 років активність (кількість) вуглецю 6 З 14 у куті зменшується вдвічі і т.д.

Хімія.Внаслідок розвитку ядерної фізики були штучно отримані нові зауранові елементи, які не зустрічаються у природі. Великим та важливим розділом сучасної хімії є радіохімія, яка вивчає хімічні та фізико-хімічні властивості радіоактивних елементів, розробляє методи виділення та концентрування радіоактивних ізотопів.

Медицина.Природні та штучно одержані радіоактивні ізотопи знайшли широке застосування в медицині для діагностики та лікування деяких захворювань. Методом мічених атомів встановлено, що кальцій входить у кістки, а й у нервову систему, цинк грає значної ролі у освіті інсуліну й у діяльності білих кров'яних кульок. Радіоактивний фосфор використовується для діагностики захворювань крові, пухлин печінки, захворювань шкіри.

Межі між фізикою і деякими іншими природничими науками не можуть бути встановлені різко. Існують великі прикордонні області між фізикою і хімією, виникли навіть особливі науки: фізична хімія і хімічна фізика. Області знання, де фізичні методи застосовуються для вивчення більш-менш приватних питань, також поєднуються в особливі науки: так виникла наприклад, астрофізика, що вивчає фізичні явища, в небі, і геофізика, що вивчає фізичні протікають в атмосфері Землі та в земній корі.Фізичні відкриття часто давали поштовх до розвитку інших наук. та астрономії Відкритий фізиками спектральний аналіз став одним з основних методів, астрофізики тощо.

Відомо, що розвиток науки та технікивизначається економічними потребами суспільства. Технічний рівень виробництва значною мірою залежить стану науки. Історія розвитку фізики та техніки показує, яке велике значення мали відкриття у фізиці для створення та розвитку нових галузей техніки. Фізика стала фундаментом, на якому виросли такі нові галузі техніки, як електро- та радіотехніка, електронна та обчислювальна техніка, приладобудування, ядерна техніката ін Фізики озброюють промисловість принципово новими приладами та установками, створюють основи нових, досконаліших методів виробництва. Швидко розвинулася фізика напівпровідників, що майже негайно отримала практичний додаток у техніці напівпровідникових пристроїв та приладів.

Короткий методичний аналіз розділів фізики. Механіка. У сучасній фізиці основні поняття класичної механіки не втратили свого значення, а отримали лише подальший розвиток, узагальнення та критичну оцінку з точки зору меж їх застосування. При викладі фізичних основ механіки слід уникати абстрактності механічних уявлень, максимально зближуючи теорію з реальними фізичними явищами та природою діючих сил. Ясна фізична і філософська інтерпретація уявлень класичної механіки у сучасній фізиці має стати основним керівним початком щодо цього розділу програми курсу фізики.

На початку викладу кінематики точки та поступального руху твердого тіла слід зупинитися на тих уявленнях про властивості простору та часу, що лежать в основі класичної (ньютонівської) механіки. У класичній механіці простір і час розглядаються як об'єктивні форми існування матерії, але у відриві одна від одної та від руху матеріальних тіл. Ньютон вважав, що тіла та їх рух не впливають ні на хід часу, однаковий у всіх інерційних системахвідліку, ні на властивості простору, що описуються геометрією Евкліда. У ньютонівській механіці визнається можливість миттєвої передачі взаємодій між тілами.

Під час викладу кінематики необхідно використовувати математичний апаратвекторної алгебри та диференціального обчислення. Слід отримати вирази для дотичної та нормальної складових прискорення матеріальної точки в криволінійному русі та ввести поняття про радіус кривизни траєкторії (на прикладі плоскої траєкторії).

Коливання тут розглядаються, як один із видів руху, нарівні з прямолінійним та обертальним рухами. Для коливального руху як виду руху необхідно ввести всі кінематичні характеристики - швидкість, прискорення і т.д. Такий виклад призводить до значної економії часу і на математичній стороні справи і водночас дозволяє наочно порівнювати фізичні процеси, що відбуваються за відповідних рухів. Це сприяє виробленню у студентів єдиного підходу до рухів різної фізичної природи. Скрізь, де можливо, слід використовувати графічний метод подання гармонійного коливання за допомогою вектора, що обертається. Потрібно роз'яснити студентам, що будь-які коливання лінійної системи завжди можна представити у вигляді суперпозиції гармонійних коливань, що одночасно відбуваються, з різними частотами, амплітудами і початковими фазами. Розглядаючи резонанс при вимушених ваганнях, необхідно обговорити це явище з енергетичної точки зору.

Виклад динаміки матеріальної точки та поступального руху твердого тіла має бути розвитком та поглибленням відповідного розділу курсу фізики середньої школи. Увага потрібно зосередити на таких питаннях, як закон руху центру мас механічної системи, закон збереження імпульсу та умови збереження проекції імпульсу на вісь, робота сили, її вираз через криволінійний інтеграл та умова незалежності роботи від форми траєкторії, зв'язок кінетичної енергії механічної системи з роботою сил , доданих до цієї системи. Особливо ретельно та неквапливо слід викладати питання про поле як форму матерії, яка здійснює взаємодію між частинками речовини або тілами, про потенційну енергію матеріальної точки у зовнішньому полі (зокрема, потрібно розглянути енергію у полі центральних сил) та про закон збереження механічної енергії.

Кінематичні характеристики обертального руху твердого тіла та їх зв'язок із лінійними характеристиками доцільно розглядати безпосередньо перед динамікою обертального руху. Має сенс ввести поняття про момент сили і момент імпульсу механічної системи щодо нерухомої точки і осі.

Закони збереження імпульсу, моменту імпульсу та механічної енергії зазвичай виводять, ґрунтуючись на законах Ньютона. Тому дуже важливо звернути увагу студентів на те, що на відміну від законів Ньютона і побудованої на них класичної механіки, що мають обмежені сфери застосування, закони збереження є універсальними законами, що відображають фундаментальні властивості симетрії простору та часу. Для ілюстрації універсальності законів збереження та ефективності їх використання під час вирішення реальних фізичних завдань можна застосувати ці закони до розрахунку удару двох тіл.

При вивченні теми про неінерційні системи відліку та сили інерції потрібно звернути увагу студентів на те, що два основні положення ньютонівської механіки, згідно з якими прискорення завжди викликається силою, а сила завжди обумовлена ​​взаємодією між тілами, не виконуються одночасно в системах відліку, що рухаються з прискоренням. Корисно обговорити питання про те, чи є сили інерції «реальними» чи «фіктивними».

Молекулярна фізика та термодинаміки.На початку цього викладу. Розділу курсу необхідно роз'яснити студентам два якісно різних і взаємно доповнюють один одного методи дослідження фізичних властивостей макроскопічних систем - статистичний (молекулярно-кінетичний) та термодинамічний. Перший лежить в основі молекулярної фізики, другий – термодинаміки. Слід зазначити, що властивості величезної сукупності молекул відмінні від властивостей кожної окремої молекули. Навіть якщо, як це робиться в класичній статистичній фізиці, що базується на механічній картині світу, можна вважати, що кожна молекула рухається за законами ньютонівської механіки, сукупний рух величезного колективу молекул має специфічні закономірності. Властивості макроскопічної системи, зрештою, визначаються властивостями частинок системи, особливостями їх руху та середніми значеннями динамічних характеристик цих частинок.

Говорячи про термодинамічний метод, необхідно чітко сформулювати визначення таких основних понять термодинаміки, як термодинамічна система, термодинамічні параметри (параметри стану), рівноважний стан, рівняння стану, термодинамічний процес, внутрішня енергія тощо. Слід підкреслити, що термодинаміка, на відміну від молекулярна фізика не пов'язана з будь-якою конкретною фізичною картиною світу. Вона ґрунтується на кількох універсальних принципах – засадах термодинаміки, надійно підтверджених експериментами. У цьому, з одного боку, сила термодинамічного методу, придатного для аналізу різних фізичних систем, а з іншого - його слабкість . Наприклад, методами термодинаміки не можна вивести, рівняння стану системи, не можна обґрунтувати існування флуктуації тощо.

Переходячи до розгляду молекулярно-кінетичної теорії ідеального газунеобхідно спеціально зупинитися на тій ролі, яку грає в молекулярній фізиці модель аналізованої системи. Слід наголосити, що вибір цієї моделі залежить не тільки від специфічних особливостей системи, а й від того, які її властивості досліджуються. Наприклад, при розрахунку тиску газу на стінки судини можна, у першому наближенні, прийняти молекули газу як пружні кульки малого розміру, що безладно рухаються в посудині і стикаються тільки з його стінками. У той же час для пояснення процесів встановлення рівноважного розподілу молекул газу, а також закономірностей явищ переносу необхідно враховувати зіткнення молекул один з одним, хоча при цьому, як і раніше, можна нехтувати їх власним обсягом. У цьому дуже повчально зіставити на лекції значення сумарного власного обсягу і сумарної площі поверхні всіх молекул газу, що у посудині, відповідно з обсягом посудини і площею поверхні його стінок. Зрештою, у молекулярно-кінетичній теорії теплоємності газу необхідно вже враховувати внутрішню структуру молекул. Для пояснення відмінності властивостей реальних та ідеальних газів необхідно подальше уточнення моделі газу для того, щоб вона враховувала дію сил взаємного тяжінняі відштовхування молекул, як це зроблено, наприклад, у моделі газу Ван-дер-Ваальса.

Слід досить докладно розглянути такі питання, як молекулярно-кінетична теорія ідеальних газів та її обмеженість, межі застосування закону рівнорозподілу енергії, закони розподілу Максвелла і Больцмана.

Перше початок термодинаміки доцільно сформулювати і записати для малої зміни стану закритої системи, тобто системи, що обмінюється енергією із зовнішнім середовищем тільки шляхом теплообміну та здійснення роботи. Необхідно роз'яснити студентам, що внутрішня енергія, на відміну від теплоти та роботи, є функцією стану. Використовуючи вираз для внутрішньої енергіїідеального газу, отримане від молекулярно-кінетичних уявлень, слід записати рівняння першого початку термодинаміки для ідеального газу, а потім застосувати цей закон до розрахунку трьох ізопроцесів та адіабатного процесу ідеальних газів. Насамкінець можна розглянути політропний процес. Дуже корисно привчати студентів до зображення та розпізнавання різноманітних політропних процесів у різних термодинамічних діаграмах. Особливої ​​ретельності викладу потребує другий початок термодинаміки та його статистичне тлумачення, а також поняття ентропії. Дуже корисно навести кілька різних формулювань другого початку термодинаміки та показати, що вони повністю еквівалентні. Навряд чи доцільно викладати доказ теореми Карно про незалежність ККД оборотного циклу Карно від природи робочого тіла. Слід знайти вираз для ентропії ідеального газу і показати цьому прикладі, що ентропія на відміну кількості теплоти є функцією стану.

Електрика та магнетизм.В електростатиці, а потім в електродинаміці вперше в курсі фізики більш менш серйозно з відповідним математичним апаратом розглядається теорія поля. Слід звернути увагу студентів на зв'язок теореми Остроградського – Гауса із законом Кулона та геометричними властивостями простору. Під цим кутом зору доцільно підходити до питання про розподіл зарядів у провідниках, що знаходяться в електростатичному полі. Викладаючи закон збереження електричного заряду, необхідно знову підкреслити роль і значення законів збереження у фізиці. Не слід захоплюватися розрахунками складних полів шляхом суперпозиції. Рекомендується звернути основну увагу на фізичний сенс потенціалу та його зв'язок із напруженістю поля, на графічне уявлення та аналіз залежностей напруженості та потенціалу від координат для електростатичних полів, що створюються найпростішими симетричними системами зарядів.

На особливу увагу заслуговує коло питань, пов'язаних з розрахунком електростатичного поляу діелектричних середовищах. Необхідно запровадити класифікацію зарядів на вільні та пов'язані, розглянути механізм та розрахувати поляризацію діелектриків з неполярними та полярними молекулами. Електричне зміщення доцільно запровадити у зв'язку з доказом теореми Остроградського - Гауса для електростатичного поля в діелектричному середовищі (зазвичай це роблять з прикладу поля в діелектричному середовищі з неполярними молекулами). Далі рекомендується отримати умови, яким задовольняють вектори напруженості поля та електричного зміщення на межі розділу двох діелектричних середовищ, та розглянути приклади розрахунку напруженості та потенціалу електростатичного поля в діелектриці. Можна обмежитися якісним феноменологічним описом властивостей сегнетоелектриків.

При викладанні питання про енергію заряджених провідників і конденсатора слід зазначити, що, залишаючись у межах електростатики, не можна однозначно вирішити питання локалізації цієї енергії. Доцільно скрізь, де можливо, користуватися законом збереження та перетворення енергії.

Розділ курсу про постійний струм не слід надмірно розтягувати на лекціях. При викладі класичної електронної теорії провідності металів слід розповісти як про досягнення цієї теорії, і про труднощі. У зв'язку із законом Ома необхідно дати чітке розмежування таких понять, як різниця потенціалів, електрорушійна сила та електрична напруга. Слід також ввести точкові електричні характеристики та сформулювати закони постійного струму у диференційній формі.

Як основна характеристика магнітного поля слід вводити магнітну індукцію, ґрунтуючись на силовій дії магнітного поля або на невеликий елемент провідника зі струмом, або на невеликий замкнутий контур зі струмом. Напруженість магнітного поля доцільно вводити значно пізніше щодо магнітного поля у речовині. Не слід захоплюватися складними розрахунками магнітних полів на основі закону Біо-Савара – Лапласа. Важливо наголосити, що для магнітних полів виконується принцип суперпозиції. Закон повного струму для поля у вакуумі та теорему Остроградського – Гауса достатньо показати на прикладі магнітного поля прямолінійного провідниказі струмом.

Розглядаючи дію магнітного поля на заряд, що рухається, потрібно приділити особливу увагу питанню про релятивістське тлумачення магнітної взаємодії, а також аналізу закономірностей руху заряджених частинок в магнітному полі і практичному використанню цих закономірностей в прискорювачах, МГД-генераторах, мас-спектрометрах і т.д.

Закон електромагнітної індукції Фарадея – Максвелла досить розглянути якісно, ​​на основі дослідів. У другому випадку необхідно зупинитися на тому, за рахунок якої енергії відбувається робота індукційного струму. Дуже повчально обговорити виникнення ЕРС електромагнітної індукції та індукційного струмуу нерухомому провідному контурі, що знаходиться в змінному магнітному полі.

При розгляді магнітних властивостей речовини слід зупинитися на гіпотезі молекулярних струмів Ампера, а також запровадити поняття макро- та мікрострумів та намагніченості. Розглядаючи елементарну теоріюДіа-і парамагнетизму, слід вказати на неможливість будь-якої класичної теорії магнітних властивостей речовини. Напруженість магнітного поля доцільно ввести у зв'язку з узагальненням закону повного струму на магнітне поле в речовині (зазвичай це роблять на прикладі поля в діамагнітному середовищі). Потім рекомендується отримати умови, яким задовольняють магнітна індукція та напруженість магнітного поля на межі розділу двох середовищ. Виклад властивостей феромагнетиків повинен мати феноменологічний характер.

На закінчення слід розглянути основи теорії Максвелла для електромагнітного поля. При цьому особливу увагу слід звернути на фізичне значення тих узагальнень експериментально встановлених законів, які були зроблені Максвеллом. Необхідно підкреслити відносний характер електричної та магнітної складових електромагнітного поля, тобто їхня залежність від вибору інерційної системи відліку.

Оптика та основи ядерної фізики. Хвильова оптика викладається як частина загального вчення про поширення хвиль. Слід наголосити на спільності явищ інтерференції та дифракції хвиль будь-якої природи. Викладення цих явищ має підготувати студента до розуміння основ квантової механіки. Поруч із загальними хвильовими властивостями слід зазначити специфічні особливості світлових хвиль та його практичні докладання. Когерентність та монохроматичність повинні бути пов'язані з кінцевою тривалістю світіння окремого атома. Розрахунок інтерференції багатьох хвиль корисно вести з допомогою графічного способу. Слід зіставити способи спостереження ліній рівного нахилу та рівної товщини.

Необхідно чітко сформулювати умови спостереження дифракції. При викладі принципу Гюйгенса - Френеля його слід розглядати, як розрахунковий прийом, який замінює суворе, але дуже важке рішення хвильового рівняння. При розгляді випромінювання Вавилова - Черенкова слід зазначити, що це класичне явище можна тлумачити з урахуванням поглядів на інтерференції світла. Пояснення подвійного променезаломлення треба проводити на основі електромагнітних уявлень та з урахуванням анізотропії електричних властивостей кристалів. Необхідно підкреслити значення поляризаційних ефектів для експериментального доказу поперечності світлових хвиль, а також звернути увагу на їхнє практичне застосування.

Проблема теплового випромінювання - важливий етапу формуванні наукового світогляду студентів, оскільки з теорією рівноважного випромінювання абсолютно чорного тіла пов'язаний перехід від класичної фізикидо квантової. Важливо підкреслити згоду класичної теорії з досвідом у сфері малих частот і розбіжність у сфері високих частот. Необхідно розглянути гіпотезу Планка про квантування енергії осциляторів. Повне виведення середньої енергії осцилятора і формули Планка на основі цієї гіпотези наводити не обов'язково. Необхідно показати, що з малих частотах вона перетворюється на класичну формулу Релея - Джинса.

Після аналізу труднощів класичної фізики в тлумаченні законів зовнішнього фотоефекту слід зупинитися на гіпотезі Ейнштейна про «світлові кванти», пізніше названих фотонами, тобто про дискретну структуру випромінювання.

При викладі світлового тиску необхідно зупинитися на дослідах П. Н. Лебедєва, які є взірцем експериментального мистецтва і відіграли велику роль у затвердженні електромагнітної теорії світла. Слід якісно пояснити виникнення світлового тиску з класичної (хвильової) точки зору і вивести формулу для тиску на основі квантових уявлень. Ефект Комптон потрібно розглядати як найбільш повне і яскраве уявлення корпускулярних властивостей випромінювання. Він підтверджує універсальний характер законів збереження.

Аналіз двоїстості властивостей світла має підготувати студентів до сприйняття двоїстості властивостей речовини. Важливо підкреслити статистичний характер попадання фотонів у окремі точкиекран. Обговорюючи досліди щодо дифракції електронів, слід підкреслити їх значення як доказ існування в частинок речовини хвильових властивостей. Співвідношення невизначеностей слід розглядати у зв'язку з корпускулярно-хвильовим дуалізмом властивостей матерії. Слід наголосити на фізичному сенсі співвідношення невизначеностей як квантового обмеження застосування понять класичної механіки. Потім необхідно розглянути співвідношення невизначеностей для енергії та часу. На закінчення слід зазначити, що з співвідношення невизначеностей випливає необхідність опису стану мікрооб'єкта з допомогою хвильової функції, і пояснити статистичний зміст хвильової функції частки.

Фізика атомного ядра. Говорячи про склад ядра та його характеристики, доцільно, якщо дозволяє час, почати з характеристики експериментальних методів визначення маси, лінійних розмірів, моменту імпульсу та магнітного моменту ядер атомів. Дуже важливо навести аргументацію неможливості існування електронів у ядрах атомів. Говорячи про склад ядра та взаємодію нуклонів у ядрі, необхідно розглянути властивості ядерних сил і зупинитися на їхній обмінній природі. Дефект маси повинен трактуватися як різницю між масою атома даного ізотопу та його масовим числом, тобто числом нуклонів у ядрі. Треба зазначити існування залежності питомої енергії зв'язку ядер (енергії зв'язку, віднесеної до одного нуклону) від масового числа.

Розглядаючи α-розпад ядер, слід зупинитися на квантовому механізмі цього явища, що є прикладом прояву тунельного ефекту. Важливо звернути увагу студентів на дискретний характер енергетичного спектру α-часток та γ-випромінювання, що свідчить про квантування енергії ядер. Необхідно спеціально зупинитися на тих труднощах, які виникли у відповідності до закономірностей β-розпаду із законами збереження енергії та моменту імпульсу, і на тому, що вихід з цих труднощів був знайдений шляхом введення гіпотези про існування нейтрино.

Розгляд ядерних реакцій доцільно розпочати з опису досвіду Резерфорда та відкриття штучної радіоактивності. У цьому слід коротко зупинитися на явищах радіоактивності ядер, і навіть на явище електронного захоплення. Слід зазначити, що у всіх ядерних реакціях виконуються закони збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу, електричного заряду ( зарядового числа) та маси (масового числа). Особливу увагу слід приділити реакції розподілу важких ядер та її енергетичному балансу. Для обґрунтування реакції поділу доцільно використовувати краплинну модель ядра Н. Бора-Л І. Френкеля. У зв'язку з розглядом ядерних реакцій синтезу слід зупинитись на проблемі здійснення керованих термоядерних реакцій. Необхідно наголосити на величезному значенні цієї проблеми, оскільки її рішення відкриє людству невичерпне джерело енергії.

На закінчення слід зупинитися на чотирьох фундаментальних взаємодіях, на класифікації, основних властивостях та взаємних перетвореннях елементарних частинок, уникаючи при цьому зайвого навантаження пам'яті студентів великою кількістю фактичних даних. Слід зазначити, що сучасні уявлення фізики з цих питань ще далекі від завершеності.

Розвиток фотоніки здатне дати можливість створити принципово нові – фотонні – комп'ютери та іншу фотонну техніку, які змінять існуючу електронну техніку. Розвиток газодинаміки призвів до появи літаків та гелікоптерів.

Знання фізики процесів, які у природі, постійно розширюються і поглиблюються. Більшість нових відкриттів незабаром отримують техніко-економічне застосування (зокрема у промисловості). Проте перед дослідниками постійно постають нові загадки, - виявляються явища, пояснення і розуміння яких потрібні нові фізичні теорії. Незважаючи на величезний обсягнакопичених знань, сучасна фізика ще дуже далека від пояснення всіх явищ природи.

Загальнонаукові основи фізичних методіврозробляються в теорії пізнання та методології науки.

Предмет фізики

Кількісний характер фізики

Фізика- кількісна наука. Фізичний експеримент спирається на виміри, тобто порівняння характеристик досліджуваних явищ із певними еталонами. З цією метою фізика розвинула сукупність фізичних одиниць та вимірювальних приладів. Окремі фізичні одиниці об'єднуються у системи фізичних одиниць. Так, на сучасному етапі розвитку науки стандартом є Міжнародна система одиниць (СІ), але більшість теоретиків, як і раніше, воліє користуватися Гаусової системою одиниць (СГС).

Отримані експериментально кількісні залежності дозволяють використовувати для обробки математичні методиі будувати теоретичні, тобто математичні моделі досліджуваних явищ.

Зі зміною поглядів на природу тих чи інших явищ змінюються також фізичні одиниці, у яких вимірюються фізичні величини. Так, наприклад, для вимірювання температури спочатку були запропоновані довільні температурні шкали, які ділили проміжок температур між характерними явищами (наприклад, замерзанням та кипінням води) на певну кількість менших проміжків, які отримали назву градусів температури. Для вимірювання кількості теплоти була введена одиниця – калорія, яка визначала кількість теплоти, необхідної для нагріву грама води на один градус. Однак згодом фізики встановили відповідність між механічною та тепловою формою енергії. Таким чином, виявилося, що запропонована раніше одиниця кількості теплоти, калорія є зайвою, як і одиниця вимірювання температури. І кількість теплоти і температуру можна вимірювати в одиницях механічної енергії. У сучасну епохукалорія і градус не вийшли з практичного вживання, але між цими величинами та одиницею енергії Джоулем існує точне числове співвідношення. Градус як одиниця виміру температури входить до системи СІ, а коефіцієнт переходу від температурної до енергетичних величин - постійна Больцмана - вважається фізичною постійною.

Історія фізики

Зміст статті

ФІЗИКА(Від давньогрецьк. physis - природа). Давні називали фізикою будь-яке дослідження навколишнього світу та явищ природи. Таке розуміння терміна «фізика» збереглося остаточно 17 в. Пізніше з'явився ряд спеціальних дисциплін: хімія, що досліджує властивості речовини, зумовлені особливостями його атомної структури, біологія, що вивчає живі організми тощо. Крім традиційних предметів дослідження, про які піде мованижче, фізика займається настільки різними проблемами, як поведінка мастила в машинах, процеси освіти хімічних зв'язків, зберігання та передача генетичної інформаціїу живих системах тощо. Об'єднуючий принцип фізики як науки криється не так у предметах дослідження, як у підході до їх вивчення, і цим фізика відрізняється від інших наук. Спираючись на певні аксіоми та гіпотези, проводячи експерименти та використовуючи математичні методи, вона прагне пояснити все різноманіття природних явищ, виходячи з невеликої кількості принципів, що взаємоузгоджуються. Фізик сподівається, що, коли про природні явища стане відомо досить багато і коли вони будуть досить добре зрозумілі, багато інших, на перший погляд розрізнених і не пов'язаних з ними фактів укладуть у просту, яка допускає математичний опис схему.

РАННЯ ІСТОРІЯ ФІЗИКИ

Звук

Вивчення звуку знову повертає нас до античності, де туманна традиція пов'язує початок таких досліджень з ім'ям Піфагора. Наскільки можна судити, філософи Стародавню Грецію за 500 років до н.е. експериментально досліджували різницю між милозвучними (консонантними) і неблагозвучними (диссонантними) музичними інтервалами. Вони зробили висновок, що якщо струну, що коливається, притискати в різних точкахі щипком змушувати вагатися кожну з двох частин струни, то чим «простіше» відношення довжин двох частин, на які розділилася струна, тим більш милозвучним виявиться консонантний інтервал звуків, що видаються. Під простими розуміються відносини 2:1, 3:2, 4:3 і т.д., що відповідають музичним інтервалам октаві, квінті, кварті тощо. Ці інтервали становили основу всієї західної музичної гармонії до 13 в., і хоча кварта більше вважається гармонійним інтервалом, продовжуючи Піфагоров ряд відносин до 5:4 і 6:5, ми отримуємо велику і малу терції – фундаментальні інтервали західної музики останніх 500 років.

Що стосується фізичної природи звуку, то багато тут було відомо вже Аристотелю. У трактаті, що дійшов до нас у вигляді фрагментів Звук та слух (див. Aristotelis opera. Ed. Academia regia borussica, v. 1-5, B, 1831-1870) він наводить докладний і точний опис поширення звукових хвиль у повітрі. Римський архітектор Вітрувій, знайомий з арістотелівською традицією, присвятив одну з книг свого твору Про архітектуру (De architectura) (бл. 10 до н.е.) акустиці театрів та інших будівель, заклавши цим основи науки, відомої сьогодні під назвою архітектурної акустики. Після Вітрувія у розвитку акустики настала пауза, яка тривала до 17 ст, коли акустичними проблемами зайнялися Галілей та Ньютон. Галілей досліджував різні джерелазвуку, зокрема струни, що коливаються, і показав, що частота коливань струни, а отже, і частота звуку, що видається, визначаються її фізичними властивостями – довжиною, натягом і масою.

Ньютон поставив собі важче завдання – описати мовою математики процес поширення звукової хвилі у повітрі. Проведений ним аналіз, що спирався на відомі тоді дані про пружність повітря, дав теоретичне значення швидкості звуку 298 м/с, тоді як досвідом Флемстида і Галлея було отримано значення 348 м/с. Настільки значне розбіжність вдалося пояснити лише 1816, коли Лаплас вказав те що, що величина пружності повітря, виходячи з якої обчислюється швидкість звуку, повинна відрізнятися від зазвичай вимірюваної, т.к. Зміни в звуковій хвилі відбуваються дуже швидко і в повітрі не встигає встановити теплову рівновагу. Внісши до обчислення Ньютона поправку в цьому єдиному пункті, Лаплас отримав формулу, яка чудово узгоджується з найточнішими експериментальними даними. Сьогодні часто ставлять зворотне завдання: визначають пружність газу виміряної швидкості звуку в ньому.

Коли механізм виникнення звуку та його природа були пояснені на основі фундаментальних законів руху, акустика перестала бути суто умоглядною дисципліною, і після Лапласа її розвиток йшов за трьома напрямками: практичні потреби (проектування концертних залів, створення музичних інструментівта звуковідтворювальної апаратури), фізіологічні та психологічні аспекти сприйняття звуку та чиста теорія. Друге з названих напрямів породило нову область фізичного пізнання – область дуже цікаву і важку, оскільки у ній вивчається суб'єктивний процес, насправді той самий, з якого він сам і досліджується. Тут фізика працює пліч-о-пліч з кількома іншими науками. Основні праці з фізіології слуху та зору належать Г.Гельмгольцу (1821-1894). Його книги Вчення про слухові відчуття як фізіологічна основа для теорії музики(СПб, 1875) та Про зір(СПб, 1896), за загальним визнанням, є наукової класикою.

Сутність звуку - лише одне із питань чистої фізики, і відповідь на нього давно отримана. І все ж таки існує мало інших розділів фізики, розгалужені додатки яких викликали б такий загальний інтерес і, судячи з публікацій, приносили б таке задоволення працюючим у них дослідникам.

Теплота та термодинаміка

Ще якихось сто років тому панувало уявлення про теплоту як про якусь калорічну рідину. Вважалося, що ця рідина є у всіх тілах, і від того, скільки її міститься в тілі, залежить її температура. У тому, що температура тіл, що знаходяться в тепловому контакті, вирівнюється, вбачали аналогію із встановленням загального рівня рідини в судинах, що сполучаються. Теорія калорічної рідини у вигляді, як її сформулював Дж.Блек (1728–1799), могла пояснити широке колоявищ. Однак у деяких пунктах зустрічалися скрути. Наприклад, добре відомо, що якщо нагрівати лід, то його температура не підвищується доти, доки весь лід не розтане. Таке тепло Блек назвав «прихованим» (термін «прихована теплота плавлення» зберігся донині), маючи на увазі, що при таненні льоду теплота якось переходить у частинки води, не роблячи звичайного ефекту. Вода містить велику кількість прихованої теплоти, і коли Б.Румфорд (1753–1814) показав, що вага льоду при таненні залишається незмінною, було вирішено, що калорічна рідина невагома. В іншому досвіді, проведеному в Мюнхенському арсеналі на верстаті, на якому розсвердлювали стовбури гармат, Румфорду вдалося домогтися виділення величезної кількості тепла при невеликій кількості металевої стружки: для цього він протягом двох з половиною годин свердлив болванку тупим свердлом. Румфорд вважав, що його досвід переконливо довів неспроможність теорії калорічної рідини, але її прихильники заперечили, що в матерії дуже багато калорічної рідини і навіть при свердлінні тупим свердлом вивільняється лише мала її частина. Калорична теорія, підлатана таким чином, проіснувала приблизно до 1850 року. Проте ще Демокріт більш ніж за 2000 років до цього висував іншу гіпотезу. Якщо матерія складається з крихітних частинок, відмінність твердого тіла від рідини визначається різною силою їх зчеплення. Якщо прийняти, що спочатку при нагріванні частинки твердого тіла починають просто сильніше коливатися, залишаючись на своїх місцях, то розумно припустити, що при нагріванні вище за певну температуру частинки будуть зриватися зі своїх місць, утворюючи рідину, а при подальшому нагріванні відбудеться наступне перетворення - рідина стане газом. Галілей висловив аналогічну ідею у 1623, а Декарт писав у 1644, що «під теплом і холодом слід розуміти не що інше, як прискорення та уповільнення матеріальних частинок». Ньютон, що розходився з теорією Декарта майже з усіх питань, у цьому пункті був із нею згоден.

Добре відомо, що рух тіл за наявності тертя породжує тепло і, навпаки, тепло може породжувати рух, як це відбувається в паровій машині та двигуні внутрішнього згоряння. Виникає питання: скільки роботи може здійснити теплова машина, якщо підвести до неї задану кількістьтепла? Відповісти на це питання дуже важко, і в його розгляді необхідно виділити два етапи.

Перше положення, яке маємо відзначити, – те, що здійснення тепловою машиною деякої роботи супроводжується зникненням певної кількості тепла. Говорячи про механічну роботу, що здійснюється машиною, піонер у цій галузі французький фізик Н.Карно (1796-1832) вживав термін "рушійна сила". У записнику, виявленої після смерті Карно в 1878, говорилося: «Тепло може бути коливальним рухом частинок. Якщо це так, то кількість тепла є не що інше, як механічна енергія, витрачена на приведення частинок у коливальний рух... Таким чином, можна сформулювати загальний принцип, згідно з яким кількість рушійної сили в природі незмінна; точніше, вона не створюється і не зникає». Цей принцип має фізики велике значення. Він називається законом збереження енергії, а контексті даного розділу- Першим початком термодинаміки. Слово "енергія", введене в науковий обігТ.Юнгом у 1807, тут має сенс « повної кількостіенергії», яке залишається постійним і включає теплову, кінетичну та всі інші форми енергії, які зустрінуться нам надалі. Не прагнучи особливої ​​суворості, можна визначити енергію як здатність виконувати роботу, та її мірою, хоч би яку форму приймала енергія, вважатимуться кількість механічної роботи, Якою енергія еквівалентна. Карно вдалося знайти чисельний вираз еквівалентності тепла та роботи. У сучасних одиницях отриманий ним результат такий: 3,7 джоуля еквівалентно 1 калорії (точніше значення дорівнює 4,19).

Те саме відкриття було зроблено лікарем Ю.Майєром (1814-1878), який помітив зміни в інтенсивності обміну речовин (як ми сказали б це зараз) у моряків, які здійснювали плавання в екваторіальних водах. У 1842 Майєр дійшов висновку, що механічний еквівалент однієї калорії дорівнює 3,85 джоуля, але його головною заслугою було глибоке інтуїтивне з'ясування важливості та універсальності нового принципу, що дозволило йому застосовувати закон збереження енергії в такій різних областях, як фізіологія, небесна механіка та теорія припливів

Однак найістотніший внесок у розвиток принципу збереження енергії зробив Дж. Джоуль (1818–1889). У 1843–1848 він провів серію дослідів з вивчення взаємних перетворень електричної, теплової, механічної та внутрішньої енергії та на підставі отриманих даних уклав, що механічний еквівалент тепла становить від 4,25 до 4,60. Ретельні виміри Джоуля озброїли супротивників теорії калорічної рідини численними вагомими аргументами, і ця теорія виявилася остаточно спростованою: тепло як вид енергії може виникати і зникати, але при цьому загальна кількість енергії у світі залишається незмінною.

Для встановлення першого початку термодинаміки потрібно так багато часу тому, що існує ще один принцип, що обмежує величину роботи, яку можна здійснити при даній кількості тепла. Цей принцип теж був відкритий Карно і викладений ним у тоненькій брошурі Міркування про рушійною силоювогню (Reflexions sur la puissance motrice de feu, 1824). У ній Карно показав, що якщо тепло підводиться до машини за температури T 1 , а відводиться – за температури T 2 (це можуть бути температури, за яких водяна пара надходить у парову машину і відводиться від неї), то існує якийсь максимум роботи, яку може зробити машина при даній кількості тепла. Цей максимум завжди менше повної кількості тепла і визначається лише величинами T 1 і T 2 незалежно від того, яка речовина переносить тепло. З закону збереження енергії випливає, що частина тепла, що підводиться до машини, йде з теплоносієм, що відпрацював, залишаючись невикористаним. Чим нижча температура теплоносія, тим важче використовувати його енергію на виконання роботи. У кілограмі води при кімнатній температурі більше теплової енергії, ніж 10 г пари, але енергію останнього значно легше витягти. Таким чином, внаслідок будь-якого перетворення енергії на роботу з теплоносієм йде якась кількість менш «корисної» енергії, і ніякий компенсуючий процес не може збільшити її «корисність». У математичній формі це положення висловив Р.Клаузіус (1822-1888), ввівши величину, яку він назвав ентропією і яка є мірою «некорисності» (з точки зору роботи) енергії. Будь-який процес, внаслідок якого тепло перетворюється на роботу, супроводжується підвищенням ентропії навколишнього середовища. Було встановлено, що будь-яка спроба зменшити ентропію призводить до ще більшого збільшення де-небудь в іншому місці. Нині цей принцип називається другим початком термодинаміки. Зміст усієї своєї роботи Клаузіус сформулював у вигляді дворядчя, поміщеного наприкінці статті:

Енергія світу стала.

Ентропія світу прагне максимуму.

Цей максимум відповідає стану, в якому вся матерія матиме ту саму температуру і ніде не буде «корисної» енергії. Але вже задовго до того, як буде досягнуто такого стану, життя стане неможливим. Песимістичний інтелектуальний клімат кінця 19 ст. багато в чому пов'язаний із відкриттям цих двох абсолютних обмежень для майбутнього людства.

Молекулярно-кінетична теорія

Розвинена в працях Клаузіуса, Кельвіна (1824–1907) та їхніх послідовників наука термодинаміка досягла успіху у встановленні зв'язків між безліччю різних фізичних і хімічних явищ на основі першого і другого початків термодинаміки, проте існують межі, за якими такі загальні твердження вже не в силах пояснити . Необхідно було з'ясувати, які розміри частинок речовини та як вони рухаються. Не знаючи цього, неможливо, наприклад, передбачити, за якої температури буде плавитися дана тверда речовина, якою є його прихована теплота плавлення і електричні властивості. У загальну схемутермодинаміки необхідно було включити закони, яким підпорядковується рух окремих молекул. Проблема, з якою зіткнулися тут вчені, була незрівнянно важчою, ніж раніше. Молекули дуже малі, щоб їх можна було спостерігати безпосередньо, і висновки можна робити, спираючись лише на колективні властивості систем, що складаються з мільярдів частинок.

Перший крок у створенні молекулярно- кінетичної теоріїзробив Д.Бернуллі у своїй книзі з гідродинаміки ( Hydrodynamica sive de viribus et motibus fluidorum commentarii, 1738). Бернуллі прийняв, що газ складається з надзвичайно малих частинок, які рухаються швидко і вільно, якщо не брати до уваги зіткнень. Ці частинки обсипають стінки судини ударами; кожен такий удар занадто слабкий, щоб його можна було відчути, але величезна кількість ударів проявляється як постійний тиск. Потім шляхом міркувань, що неявно спираються на закони Ньютона, Бернуллі дійшов висновку, що якщо повільно стиснути газ, не змінюючи швидкостей руху частинок, тиск підвищиться, так що тиск на обсяг залишиться постійним. Саме це співвідношення для газу, що стискається при постійній температурі, експериментально відкрив Р. Бойль у 1660. Бернуллі вказав також, що нагрівання газу має призводити до збільшення швидкості частинок, а тим самим – до підвищення тиску внаслідок збільшення числа та сили ударів частинок об стінки судини. Десятьма роками пізніше аналогічні ідеї були висловлені російським вченим М.В.Ломоносовим, який додатково вказав на те, що якщо верхньої межі для швидкостей молекул газу, а отже, і для температури в принципі не існує, то нижня межа – нульова швидкість – існує завжди Отже, повинна існувати нижня межа температури, нижче якої нічого не можна охолодити. Нині цю межу називають абсолютним банкрутом.

Примітно, що ці міркування звернули він увагу лише 120 років по тому, тому відчутного впливу становлення молекулярно-кинетичної теорії мало надали. Натомість фізики та математики протягом століття боролися з хибним уявленнямНьютона про взаємне відштовхування всіх атомів.

Тут слід згадати одну з найвідоміших в історії науки фігур – Дж.Уотерсона (1811–1883). Інженер і вчитель, Уотерсон опублікував в 1843 досить неясно написану книгу, прочитану лише небагатьма, в якій виклав деякі міркування про властивості газу, що складається з молекул, що швидко рухаються. У 1845 році він подав до Королівського товариства докладну статтю, яка, однак, була відкинута як непридатна для публікації. На думку одного з рецензентів, стаття Уотерсона - "нонсенс, неприйнятний навіть для публічного прочитання". Згодом Уотерсону вдалося все ж таки опублікувати деякі зі своїх робіт, але вони залишилися без уваги. Уотерсон прожив досить довго і став свідком того, як інші удостоєні похвал та визнання за відкриття, які набагато раніше зробив він сам. І все-таки він не дожив до того часу, коли до тих самих висновків дійшов Дж.Релей в 1891, який віддав належне його працям.

У 1856 р. до ідей Бернуллі вчені повернулися знову. А.Кроніг (1822–1879), роком пізніше Клаузіус і в 1860 Дж.Максвелл (1831–1879), який чудово володів математичним апаратом, на основі законів Ньютона зробили систематичний аналіз газу з часток, занадто малих, щоб їх можна було бачити, і взаємодіючих за участю сил, залежність яких від відстані могла бути задана лише у загальному вигляді. Так було закладено основу кінетичної теорії газів, чи молекулярно-кинетичної теорії (у питання природі молекул та його ставлення до структурі речовини вніс ясність на початку 19 в. А.Ампер). Ця теорія давала оцінки мас молекул, їх розмірів (близько двох-трьох стомільйонних сантиметрів), середньої відстані між молекулами в газі та в узагальненому вигляді охоплювала всі явища, що породжуються. випадковою дієювеличезної кількості частинок. Пізніше, завдяки працям Л.Больцмана (1844–1906) та Дж.Гіббса (1839–1903), вона перетворилася на науку, відому під назвою статистичної механіки. Больцман показав, що друге початок термодинаміки – висновок лише статистичний. Поступове розпорядження у Всесвіті аналогічно до поступової втрати порядку в спочатку впорядкованій колоді. гральних картпри багаторазовому її тасуванні, і подібно до того, як карти можуть розташуватися у вихідній послідовності, якщо колоду перетасувати жахливо велику кількість разів, так і весь Всесвіт одного прекрасного дня суто випадково повернеться в той стан, з якого він колись вийшов. (Оптимізму в такій кінцівці сценарію Всесвіту, що вмирає, дещо зменшиться, якщо оцінити час, необхідний для випадкового мимовільного відродження.) Гіббсу належить також заслуга створення хімічної термодинаміки, на якій засновані сучасна теорія хімічних реакцій і вся хімічна промисловість.

У кінетичної теорії, так само як і в атомістичної гіпотези, є один серйозний недолік: доки поведінка молекул не можна буде спостерігати безпосередньо, неможливо бути впевненим у правильності цієї теорії. Ніякі підтвердження передбачень молекулярно-кінетичної теорії на макроскопічному рівні не можуть повністю виключити можливість того, що, подібно до теорії калорічної рідини або ньютонівської теоріїгазу, вона дає прийнятні з наукової точкизору результати, виходячи з неправильних посилок. І справді, ще в 1900 такі видатні вчені, як фізик Е. Мах і хімік В. Оствальд, заявляли, що не бажають розглядати атоми інакше як гіпотезу, що дозволяє пояснювати деякі явища, що спостерігаються. Але незабаром ситуація різко змінилася.

Електрика та магнетизм

Довгий час більшість фізиків розглядали ці явища як несуттєві курйози. Першим, хто припустив, що вони згодом відіграватимуть важливу роль у розумінні природних явищ, був, мабуть, Ньютон.

Початок наукових спостережень електричних та магнітних явищ пов'язують із ім'ям англійської фізики У.Гільберта (1540–1603). Він провів низку дослідів, намагаючись довести, що земний магнетизм можна пояснити, якщо уявити Землю у вигляді великого сферичного магніту. Перші досліди з електрикою (цей термін ввів Гільберт) були поставлені з метою дати відповідь на питання, чи існують два типи носіїв електрики або негативний заряд – це просто відсутність заряду позитивного. Розподіл зарядів на позитивні і негативні перегукується з Б.Франклину (1706–1790), одному з небагатьох людей Америці 18 в., які цікавилися загальнонауковими питаннями.

Перші кількісні вимірювання, вжиті для того щоб встановити закони електрики, були виконані в кінці 18 ст. Тоді цілій низці дослідників вдалося різними шляхами показати, що електричні сили схожі з гравітаційними в тому відношенні, що вони теж обернено пропорційні квадрату відстані, хоча два електричні заряди можуть і притягуватися, і відштовхуватися, а під дією гравітаційних сил тіла можуть тільки притягуватися один до одного . Невдовзі Ш.Кулон (1736–1806), одне із тих, хто досліджував взаємодію електричних зарядів і сформулював закон, якому це взаємодія підпорядковується, встановив аналогічну закономірність для магнітних сил. ЕЛЕКТРИЧНІСТЬ І МАГНЕТИЗМ.

Усі наступні події беруть початок з винаходу А.Вольта (1745–1827) у 1800 р. електричної батареї, за допомогою якої можна було отримувати постійний електричний струм. Цей винахід дозволило зробити безліч відкриттів. Чимало їх ми належать М.Фарадею (1791–1867), чиє ім'я в експериментальної науці стоїть майже так само високо, як ім'я Ньютона у науці теоретичної. Відкриття, про які йдеться, можна поділити на три групи: електрохімічні, оптичні та електромагнітні. До останніх відносяться спостереження Х. Ерстеда (1820), який виявив, що електричний струм створює магнітне поле, і Фарадея (1831), який продемонстрував, що змінне магнітне поле створює електричну силу. Ці відкриття у свою чергу показали, що електрика та магнетизм мають бути тісно пов'язані між собою. Було досить легко уявити електричний струм як якусь рідину, що тече по провіднику під дією електричних сил, але електромагнітні явища не піддавалися такому простому механістичному поясненню, і, як ми побачимо надалі, їхня фізична інтерпретація призвела до краху того, що називали механістичною картиною світу. Але перш ніж переходити до цього, розповімо про останній блискучий успіх механістичного підходу.

Будова атома

Звичайні природні явища не дають жодних свідчень внутрішній будовіатомів; майже всі «колективні» властивості газів і рідин і багато «колективних» властивостей твердих тіл можна пояснити, вважаючи атоми твердими кульками, між якими діють сили взаємного тяжіння. Однак наприкінці 19 ст. стало очевидно, що існують принаймні два класи явищ, для пояснення яких потрібно докладніше знати, що саме є атомом. Один з цих класів становлять явища, що свідчать про те, що атоми, лише трохи різняться за масою, можуть мати істотно різні хімічні властивості. Інший клас явищ пов'язаний із спектроскопією, яка займається аналізом світла, що випускається розпеченими газами та парами. Виявилося, що таке світло є набір хвиль з певними частотами, характерними для кожного сорту атомів.

У роки 20 в. було збудовано кілька моделей атома. До цього часу стало відомо, що одним із його складових елементів є електрон – частка з негативним електричним зарядом та масою, у кілька тисяч разів меншою за масу атома. З того, що в цілому атом електрично нейтральний, випливало, що поряд з електронами атом містить якісь позитивні заряди, що компенсують.

Після відкриття, зробленого Резерфордом, було природним спробувати скористатися ньютонівською механікою, щоб описати будову атома, зокрема, розміри атомів, їх хімічні властивості та спектри. Початок роботам у цьому напрямі було покладено М.Бором, практикантом, який приїхав до Манчестера до Резерфорда з Данії. Бор вирішив почати з найпростішого з атомів - водню, в якому, згідно з планетарною моделлю Резерфорда, повинен бути один електрон, що обертається навколо однієї важкої частки, протоном. Крім того, частоти емісійного спектру водню становили простий набір, який точно описувався формулою, підібраною І. Балмером в 1885. Бор швидко виявив, що одних законів Ньютона недостатньо для того, щоб пояснити стабільність атома і випромінювання світла лише певних частот; ці закони необхідно доповнити новим законом, що не спирається на попередню фізику. Відповідно до цього закону, з усіх можливих орбіт, за якими електрон може звертатися навколо ядра відповідно до ньютонівської механіки, у природі реалізується лише невеликий набір орбіт, що задовольняють деяку математичну умову. «Постулати Бора» та ідея Ейнштейна про природу променистої енергії (що буде сказано нижче) дозволили Бору отримати формулу Бальмера. За цим успіхом, який відкрив шлях до пізнання будови атома, було якісне пояснення основних хімічних властивостей всіх атомів. Але темні місця все ж таки залишалися, і найбільш загадковим було те, що теорія Бора не могла пояснити спектр або хоча б стабільність будь-якого атома, складнішого, ніж атом водню. Не піддавався аналізу навіть атом гелію з лише двома електронами, що обертаються навколо ядра, позитивний заряд якого вдвічі більший за заряд протона. Напрошувався висновок, що атом водню слід розглядати як певний виняток і що успіх Бора, можливо, був випадковим. Насправді ж механістична концепція досягла меж свого розвитку і в найближчому майбутньому вона мала поступитися місцем іншому погляду на фізичні явища, який підспудно формувався протягом багатьох років.

ПРИРОДА ЯК ВЗАЄМОДІЮЧІ ПОЛЯ

Для Ньютона та її сучасників було цілком природним запитувати себе, звідки береться сила гравітації як і вона діє. Він розумів, що цей предмет непростий. Йому здавалося неймовірним, щоб два тіла могли взаємодіяти через розділяючий їх абсолютно порожній простір. У листі Р.Бентлі Ньютон писав:

«Те, що тяжіння має бути внутрішньо властивим, невід'ємним і необхідним для матерії, так, щоб одне тіло могло діяти на інше на відстані через порожнечу, без чогось ще, представляється мені настільки великою безглуздістю, що, на моє переконання, ні одна людина, здатна зі знанням справи судити про філософські матерії, не впаде в неї. Тяжіння має викликатися якимось агентом, який постійно діє за певними законами; а матеріал цей агент або нематеріальний, я надаю судити читачам».

У часи Ньютона такий агент називався ефіром, і це уявлення мало трансформуватися в більш витончене поняття поля. Теорія поля зайняла центральне місце у сучасній фізиці – як і матеріальний атомістичний механізм був центральної концепцією фізики попередніх століть. Теорій ефіру було багато, і кожна їх виникла у відповідь необхідність пояснення дії тієї чи іншої сили з відривом. Так, були ефіри гравітаційний, електричний, магнітний і світлоносний (останній ефір був гіпотетичним середовищем, що забезпечує поширення світла). Під впливом загальнофізичних уявлень свого часу теорії ефіру набували більш механістичного характеру - ефіри були рідинами, що підкорялися законам Ньютона або іншим аналогічним законам, а передані ними впливи мали характер механічної дії. У міру накопичення знань про світлі саме світло почали представляти як хвильовий рух у світлоносному ефірі, аналогічний поширенню звуку в повітрі. Вперше ця думка була висловлена ​​в 1746 видатним математиком Л. Ейлером (1707-1783). Спочатку погляди Ейлера не зустріли розуміння, оскільки суперечили ньютонівській корпускулярній теорії світла, але здобули визнання після двох вирішальних експериментальних підтверджень. Першим підтвердженням стала інтерференція двох накладених світлових пучків від одного і того ж джерела, при якій збіг горбів і западин однієї хвилі з горбами та западинами іншої створює картину, що складається зі світлих і темних плям. Такі явища були відомі з часів Ньютона, систематично їх досліджували з погляду хвильової теорії в 1801 Т.Юнг (1773–1829) і пізніше О.Френель (1788–1827). Пояснення інтерференції з позицій корпускулярної теорії виглядали незграбно, але їх було прийнято вважати вірними, і лише після того, як Юнг в 1817 р. запропонував своє пояснення поляризації світла, корпускулярна теорія була змушена поступитися місцем хвильової. Поляризоване світломає просторову спрямованість, не властиву звуку, і ця обставина навела Юнга на думку, що світлові хвиліна відміну звукових є поперечними, тобто. в них, як і в хвилях на воді, коливання відбуваються впоперек спрямування їх поширення (а не вздовж, як у звукових, поздовжніх хвилях). Хвильова теоріясвітла пояснює все відомі явищаінтерференції та поляризації, але пошуки механічної моделі, яка зробила б її зрозумілою, зіткнулися з непереборними труднощами. Проблема в тому, що ефір як фізична субстанція має бути досить щільним, щоб світло могло поширюватися по ньому з величезною швидкістю, але все ж таки не надто щільним, щоб заважати руху планет та інших об'єктів. До того ж ефір повинен мати деяку пружність - поперечні хвилі можуть поширюватися в желе, але не у воді. (Спостережувані нами хвилі на воді поширюються тільки по її поверхні.) Нині важко уявити, що ідея механічного ефіру могла сприйматися настільки серйозно, але така вже сильна була влада ньютоновського механіцизму, що знадобилися колосальні інтелектуальні зусилля, щоб остаточно його відкинути.

Тим часом, формувалася нова концепція. На М.Фарадея, який займався вивченням магнетизму, сильне враження справили картини, утворені залізною тирсою на аркуші паперу поблизу полюсів магніту. Тирса вишиковувалися в лінії, і Фарадей встановив, що їх напрям у кожній точці збігається з напрямом сили, створюваної в цій точці магнітом. Потрапляючи в області більш менш інтенсивного магнітного поля, лінії завжди сходилися в пучок або, навпаки, розходилися, і Фарадей здогадався, що вони дають видиму картину чогось, що і в їх відсутність реально існує в просторі поблизу полюсів магніту. Це «щось» отримало назву поля. Фарадей зробив висновок, що поле складається з «магнітних силових ліній»; Пізніше він виявив існування аналогічних електричних силових ліній і в 1846 р. висловив припущення, що світло - це поперечні коливання, що поширюються вздовж силових ліній. Гіпотеза Фарадея була першим передбаченням встановленого згодом тісного зв'язку між світлом, з одного боку, та електрикою та магнетизмом – з іншого.

Заслуга створення теорії електромагнітного поля, як його почали називати, в основному належить Дж. Максвеллу (1831-1879). У 1856, будучи науковим співробітником Трініті-коледжу в Кембриджі, Максвелл почав працювати над створенням механічної теорії електричного та магнітного полів, маючи намір висловити точну математичну мову ідеї Фарадея. До 1861 Максвелл створив дуже складну, але перспективну картину ефіру як текучого середовища, що передає деякі напруження і допускає складні вихрові рухи. Виходячи з таких наочних уявлень, він вивів систему диференціальних рівнянь, які пов'язують різні компоненти електричного та магнітного полів. Рівняння описували як статичні явища, наприклад кулонівські електричні та магнітні взаємодії, так і динамічні, наприклад, відкриті Фарадеєм. Крім того, рівняння Максвелла дозволили передбачити новий взаємозв'язок між електричним та магнітними полями – їхнє узгоджене поширення у вигляді поперечних хвиль зі швидкістю 306 000 км/с. На той час вже було відомо, що світло поширюється приблизно з такою самою швидкістю, а експерименти Фізо (1849) дали значення, дуже близьке до отриманого Максвеллом. Ця чудова згода говорила про те, що Максвеллу вдалося побудувати таку давно очікувану теорію світла і до того ж пояснити всі електричні та магнітні явища. Виправдалося пророче зауваження Фарадея (1851): «Якщо ефір існує, то, мабуть, передача випромінювань немає його єдине призначення». Теорія Максвелла поряд з теорією Бора стала найвищим досягненням механістичного підходу. Сьогодні ми бачимо у його теорії електромагнітного поля дві сторони. Витончені симетричні рівняння, які й досі вважаються коректними та повними, супроводжує незграбна концепція ефіру, покликана ці рівняння пояснити. У 1864 році Максвелл представив уточнений варіант своєї теорії Королівському суспільству. Ефір входив у цю теорію неявно, як тло для фізичних співвідношень електромагнітного поля, але був позбавлений всіх властивостей, крім тих, які випливали з самих польових рівнянь. Проте найбільших фізиків на той час, зокрема Кельвіна і Гельмгольца, теорія Максвелла не переконала, і Кельвін, котрий дожив до 1907, не визнав її. Багато ж фізиків більше молодого поколінняприйняли теорію Максвелла, і основну роль тут зіграли експерименти Г.Герца (1857-1894), який вперше здійснив генерацію та прийом електромагнітних хвиль. Експерименти Герца як підтвердили теорію Максвелла, а й заклали основи радіотехніки.

Теорія Максвелла призвела до найбільших теоретичних поступів у фізиці з часів Ньютона. Максвелл прийшов у фізику, коли в ній панували ідеї рухомих центрів сили, а покинув її, заклавши основи уявлення про поле, яке проявляється в тому, що надає силовий вплив на речовину, а також переносить енергію. Остання обставина найбільше наповнює поле реальністю: легко можна уявити, що електричні заряди створюють сили, що діють інші заряди з відривом, але якщо один матеріальний об'єкт дає спалах випромінювання, яке згодом поглинає інший об'єкт, то закон збереження енергії буде порушено, а то й прийняти, що з час від випромінювання до поглинання випромінювання енергія поширюється у вигляді поля.

Сьогодні фізика переважно зайнята вивченням взаємодіючих полів, однією з є поле Максвелла. Всі ці поля поширюються у вигляді хвиль, але не в якомусь середовищі, як звукові хвиліу повітрі, а просто як хвилі поля. Приклад старшого покоління вчених, яке довго ставилося до ідеї таких «безтілесних» хвиль із недовірою, як до якоїсь містифікації, вкотре нагадує нам про труднощі становлення справді нових наукових ідей.

Принципи відносності

Одна з найбільш характерних рисбудь-якого фізичного поля- те, в якому вигляді воно постає перед спостерігачем. Наприклад, електричний заряд, що покоїться, створює суто електричне поле. Але якщо заряд рухається щодо спостерігача чи, що еквівалентно, якщо спостерігач рухається щодо заряду, поле виявляється частково і магнітним. Те саме можна сказати про поле, створюване магнітом, і ми приходимо до висновку, що розмежування електричного і магнітного полів існує тільки в певній системі відліку. Якщо ж ми виберемо нову системувідліку так, щоб вона рухалася щодо старої, то межа згладиться – чисто електричне поле придбає магнітну компоненту, а чисто магнітне – електричну.

З цього приводу до 1900 були відомі два положення. По-перше, рівняння Максвелла описують ситуацію загалом правильно. По-друге, якщо мова йделише про явище, то істотно лише відносний рух спостерігача і об'єкта спостереження. Ця істина, так званий принцип відносності, втілена в законі інерції Галілея та пронизує всю схему механіки Ньютона.

Наприкінці 19 ст. Фізики, на свій подив, виявили, що ці два положення математично не узгоджуються між собою і що можна стверджувати або одне, або інше, але не те й інше одночасно. Теорія ефіру пропонувала такий вихід: електричний заряд, що спочиває в ефірі і виміряний спостерігачем, що рухається, не еквівалентний заряду, що рухається, для нерухомого спостерігача. А.Пуанкаре (1854-1912), дослідивши таке припущення, зрозумів, що воно привносить до законів електрики асиметрію, яка не відповідає нічому, що спостерігається в природі.

Вихід вказав у 1905 році А.Ейнштейн чудовою теорією, названою ним пізніше приватною (спеціальною) теорією відносності. Взявши за основу правильність рівнянь Максвелла, Ейнштейн показав, що принцип відносності може бути збережений, якщо радикально переглянути фундаментальні поняття простору і часу, що не піддавалися протягом століть сумнівам. Робота Ейнштейна стала частиною системи освіти нового блискучого покоління фізиків, що виросло у 1920-х роках. Наступні роки не виявили у приватній теорії відносності якихось слабких місць.

Однак Ейнштейну не давало спокою та обставина, раніше зазначена Ньютоном, що вся ідея відносності руху руйнується, якщо ввести прискорення; в цьому випадку в гру вступають сили інерції, відсутні при рівномірному та прямолінійному русі. Через десять років після створення приватної теорії відносності Ейнштейн запропонував нову, вищого ступеняоригінальну теорію, у якій головну роль відіграє гіпотеза викривленого простору та яка дає єдину картину явищ інерції та гравітації. У цій теорії принцип відносності збережений, але представлений у набагато більш загальній формі, і Ейнштейну вдалося показати, що його загальна теорія відносності з невеликими змінами включає більшу частину ньютонівської теорії тяжіння, причому одна з цих змін пояснює відому аномалію в русі Меркурія.

Кванти

Читачеві вже відомо, що для опису дуже і дуже багатьох матеріальних системпридатна механіка Ньютона, а правильного описи всіх електромагнітних полів необхідна теорія Максвелла. Тепер ми хочемо показати, що насправді ці два підходи – просто два крайні випадки єдиної картини, яка називається квантовою теорією. Як і теорії Ньютона і Максвелла, це якась математична схема, але набагато складніша для пояснення нематематичною мовою, оскільки квантова теорія не ґрунтується на інтуїтивних уявленнях, які лише уточнювалися б математикою. Для більшої ясності у подальшому викладі ми відмовимося від історичного підходу, т.к. ряд важливих відкриттівбув зроблений у «невідповідний час» і в такій послідовності, яка ускладнює їхнє розуміння.

У 1887 Герц, вивчаючи електромагнітне випромінювання, принагідно зробив відкриття, встановивши, що світло, що падає на металеву поверхню, якимось чином робить її електрично зарядженою. У наступні роки вдалося з'ясувати, що світло вибиває з металу негативні електричні заряди. Нині це явище називається фотоелектричним ефектом. У 1898 Дж. Дж. Томсон (1856-1940) встановив, що негативні зарядипереносяться мікроскопічними частинками з масою, у тисячі разів меншою за масу будь-якого атома. Томсон назвав ці частки електронами. Далі, переважно завдяки зусиллям Ейнштейна (1905), з'ясувалося, що світло має двоїсту природу: це частки, звані нині фотонами, і хвилі. У різних експериментах він поводиться по-різному. Не маючи пояснення цього дивного явища, фізики взялися за пошук нових ідей. Найпростішу і, як виявилося надалі, найпліднішу ідею висловив Л. де Бройль (1892–1987). У 1924 він запропонував поширити загадкову двоїстість світла і на матерію і висловив припущення, що електрон повинен виявити свої хвильові властивості, якщо поставити експеримент з інтерференції електронів, аналогічний до експериментів з інтерференції світла, які свого часу були проведені Т. Юнгом. Такі експерименти невдовзі були виконані і дали пророки де Бройлем результати. Крім того, де Бройль припустив, що орбітальний електрон в теорії Бора описує навколо ядра замкнуту хвилю, і постулати Бора, що виглядали до цього довільними, для визначення енергетичних рівніватома водню отримали просте та природне пояснення.

Нагадаємо у зв'язку з цим, що з моменту своєї появи в 1913 р. теорія Бора виявилася майже безплідною в поясненні кількісних властивостей атомів, відмінних від атома водню. Тепер настав час вирішити проблему будови атома, що було зроблено майже одночасно двома фізиками. У 1925 В.Гейзенберг (1901-1976) розвинув дещо громіздкий математичний апарат з важко збагнутим фізичним змістом, що дозволяв тим не менш швидко отримувати правильні відповіді деякі питання, пов'язані з будовою атома. У наступному році Е. Шредінгер (1887-1961), виходячи з гіпотези де Бройля про хвилі матерії, зробив практично те ж, що свого часу зробив Максвелл у зв'язку з гіпотезою Юнга про хвильову природу світла: вивів польові рівняння, що дозволяли пояснити більшість атомних властивостей. У 1927 Шредінгер показав, що його теорія, що сильно відрізнялася своїми фізичними припущеннями від теорії Гейзенберга, за своїм математичним змістом еквівалентна їй. Єдність фізичних явищ з хвильової погляду зумовлено тим, що світло та всі інші форми матерії можна у вигляді полів у порожньому (в інших відносинах) просторі, що описуються деякими рівняннями, що показують, як поля змінюються у просторі та часі і як вони взаємодіють самі з собою та один з одним. Відмінності між світлом і речовиною з цього погляду пов'язані з особливостями математичного уявлення різних полів і структурою польових рівнянь.

Тепер потрібно пояснити корпускулярність полів. Найважче зрозуміти, яким чином поле, за своєю сутністю однорідне і безперервне, може проявляти себе як щось дискретне і розривне. У такій постановці проблема перегукується з 1900, коли М.Планк (1858–1947) намагався пояснити інтенсивність і колір випромінювання, що випускається розпеченим твердим тілом. Він був змушений припустити, що матеріальний об'єкт, що випромінює випромінювання з частотою n, робить це не безперервно, як можна було б очікувати, а малими порціями – квантами, кожен з яких несе енергію Е, пропорційну частоті. Якщо співвідношення пропорційності записати у вигляді E = hn, то виявляється, що коефіцієнт пропорційності hмає те саме значення для всіх форм матерії (нині він називається постійною Планкою). У 1905 Ейнштейн скористався ідеєю Планка, пояснивши фотоелектричний ефект як результат зіткнень фотонів з електронами, а в 1913 р. Бор у пошуках пояснення дискретності частот випромінювання, що випускається атомами, створив свою чисто механічну теорію, включивши в неї гіпотезу Планка про дискретність квантів і ввівши в різні формули постійну Планка h. Рівняння, виведені де Бройлем, Гейзенбергом та Шредінгером, містили hТому постійна Планка стала свого роду символом дискретності природи. Виражена у звичайних одиницях, величина hявляє собою дуже мале число, і отже, дискретність лежить набагато нижче рівня сприйняття наших рецепторів, проте вона бере участь у всіх процесах, що супроводжуються випромінюванням або поглинанням енергії - у виникненні і поширенні світла і звуку, у взаємодії частинок і багато іншого. Дискретні порції енергії будь-якого виду називаються квантами, а вся теорія, що має з ними справу, – квантовою теорією. Теорія Гейзенберга і Шредінгера називалася по-різному - квантовою або хвильовою механікою - в залежності від того, яка точка зору була прийнята. Кванти різних полів отримали назви із закінченням - він: фотон для світла, фонон для звуку, електрон, протон, нейтрон і т.д.

Квантова теорія змусила фізиків переглянути погляди все, що відбувається в атомних масштабах, і навіть багато звичайні явища. Але її найглибшою новою ідеєю стало поняття невизначеності, яке ми не обговорюватимемо тут докладно. Скажімо лише, що вона стверджує існування деяких меж, у яких ні пізнання, ні пояснення фізичних явищ неможливі навіть у принципі. У цих межах все, що відбувається, носить випадковий характер у тому сенсі, що причинність у її належному розумінні не діє. Однозначні причинні формулювання механістичної картини світу в таких ситуаціях поступаються місцем статистичним твердженням, що дає лише ймовірності, але не дозволяє абсолютно точно передбачити результати конкретного експерименту. Здається точність законів динаміки у вигляді, як їх виклав Ньютон і дотримувалися його послідовники, в квантової теорії постає як прямий слідствостатистичного «закону великих чисел», згідно з яким статистичні твердження тим точніше, чим більша вибірка, на підставі якої вони зроблені.

У дуже спрощеному вигляді ситуація з дуалізмом речовина – поле на сьогодні виглядає так: поле – основний спосіб опису матерії, але він має аспекти дискретності, що нагадують про ньютонівську концепцію речовини (і світла) як субстанції, що складається з малих частинок, що взаємодіють між собою. В атомному масштабі ситуація дійсно дуже відрізняється від тієї, яка представлялася Ньютону, оскільки виявляються невизначеності та порушення причинності, але на макрорівні ці ефекти зникають, що дає можливість передбачати події з точністю нехай і не абсолютною, але цілком достатньою для будь-яких практичних цілей. Таким чином, механістична картина світу постає перед ними як практичний наслідок фундаментальної теорії полів, хоча якщо перейти на мікрорівень, ми не можемо тепер слідом за Левкіппом сказати, що «все має причину і є результатом необхідності». Ми не знаємо, як виглядатиме сучасна квантова теорія через сто років, і хоча деяким вона здається дивною і незрозумілою, проте вона жодного разу не прийшла в суперечність з експериментом, а область її застосування постійно розширюється.

СУЧАСНА ФІЗИКА

До 1940-х років основні види відомої тоді матерії виглядали досить просто: атом складався з електронів, що рухаються навколо масивного ядра; за деяких умов він випромінював світло у формі квантів, які називалися фотонами; ядра складалися з нейтронів і протонів (нуклонів), кожен з яких мав масу, що приблизно в 1840 разів перевищує масу електрона; частка третього типу з масою, проміжною між масою електрона і протона, названа «мезоном», відповідала за взаємодію частинок ядра (нуклонів), а фотон, квант електромагнітного поля, утримував разом електрон і ядро. У той час було природно розглядати всі перераховані вище частки як елементарні форми матерії, аналогічні елементам традиційної хімії, з яких складається все, що оточує нас. Однак з відкриттям останнім часом великої кількості нових частинок зародився сумнів у тому, що всі вони справді елементарні. Основні роботи в цій дуже важкій області фізики ведуться в науково-дослідних центрах, що мають надзвичайно дорогі експериментальні установки. У Сполучених Штатах це Брукхейвенська та Аргонський національні лабораторії, Національна лабораторія прискорювачів поблизу Чикаго, Станфордський лінійний прискорювач, Західної Європи– ЦЕРН, Європейська рада з ядерних досліджень (European Council for Nuclear Research) у Женеві, що об'єднує 12 країн. Декілька науково-дослідних центрів, що виникли при великих прискорювачах, є в Росії.

Головне завдання фундаментального вивчення матерії у тому, щоб якнайбільше дізнатися про всі можливі її форми, тобто. встановити, які бувають елементарні частинки та які їх властивості, пояснити, чому наш Всесвіт містить саме ці, а не інші різновиди частинок. У 1970-х роках виникла теорія, в якій елементарні частинки вважалися складовими ще фундаментальних «цеглинок» матерії – кварків. Спочатку кварків було всього три, потім їх стало 12, а трохи пізніше - 15. Як це часто бувало в минулому з іншими теоріями матерії, з кожним таким розширенням списку частинок посилювалася підозра, що теорія кварків при всій її привабливості все ж таки не є справді фундаментальною .

Друге загальний напрям, Який слід у своєму розвитку фундаментальна фізика сьогодні, - це вивчення форм матерії, що складаються з великої кількості пов'язаних частинок. Один із напрямів такого роду досліджень займається вивченням газів, частки яких слабо пов'язані і основний час проводять у вільному польоті. Якщо не рахувати поведінки газів за екстремальних умов (таких питань цікавлять тих, хто, наприклад, займається вивченням ракетних двигунів), у цій галузі знань зараз немає жодного принципового питання, на яке не можна було б дати відповідь.

Що стосується рідин і твердих тіл, то тут доведеться з'ясувати ще багато. Зокрема, тверді тіла мають різноманітні механічні, електричні та магнітні властивості, для пояснення яких недостатньо знати, з яких частинок ці тіла складаються, оскільки згадані властивості залежать також від їх агрегатного стану. Фізика твердого тіла – область науки, що швидко розвивається, і частково це пов'язано з її великим прикладним значенням: так, транзистори та інші напівпровідникові пристрої, створені як результат досліджень і розробок у галузі фізики твердого тіла, справили справжню революцію в електроніці. ТРАНЗИСТОР.

Ще один стан агрегації ми бачимо в атомному ядрі. Оскільки ядро ​​дуже мало і його складові міцно пов'язані ядерними силами, воно є дуже важким об'єктом для вивчення, так що відомості про його структуру і типи внутрішньоядерного руху дуже мізерні. Дослідження у цій галузі широко підтримуються урядами, оскільки ядерної енергіїдоведеться задовольняти значну частину енергетичних потреб людства, коли вичерпаються джерела нафти та вугілля.

Зрештою, згадаємо про фізику плазми, одну з нових галузей науки. Плазма - це розпечений газ, що складається з іонів і електронів, що проводять електрику, але його поведінка помітно відрізняється від поведінки газу при звичайних умовах. Якщо врахувати, що всі зірки та значна частинаміжзоряної речовини - плазма, то виходить, що у Всесвіті в такому стані перебуває понад 99% матерії. Отже, для проникнення в таємниці космосу необхідно якнайповніше досліджувати властивості самої плазми. Крім того, для створення найбільш перспективних – термоядерних джерел енергії, мабуть, потрібно буде відтворити умови, що панують у надрах зірок.

До Другої світової війни майже всі значні дослідження в галузі фізики виконувались в університетських лабораторіях, які підтримували університетські фонди. Після війни ситуація змінилася із трьох причин. По-перше, створення нових експериментальних установок стало для університетських бюджетів надто дорогою справою, що призвело до необхідності широкомасштабної участі держави у субсидуванні наукових програм. По-друге, уряди усвідомили необхідність підтримки наукових досліджень про своїх військових, економічних пріоритетів і політичних цілях. Це особливо стосується космічних програм та досліджень у галузі фізики елементарних частинок, а також різних видівдіяльності, пов'язаних із вирішенням енергетичних проблем. По-третє, докорінно змінилося ставлення ділових людейНаука: тепер великий бізнес у всьому світі бере участь у створенні лабораторій, в яких проводяться серйозні дослідження.

Усі спроби передбачити майбутнє науки закінчувалися провалом, проте очевидно, що ми можемо очікувати великого прогресу в зазначених вище напрямках. Зрозуміло також, що в майбутньому з'являться нові напрями досліджень, які зараз неможливо передбачити, як неможливо було передбачити сто років тому поява ядерної фізики. Справді всеосяжна фізична теорія дозволить розглядати з єдиної точки зору процеси, що протікають у всіх масштабах - від космічного до субатомного. Нині ж, хоча нам відомо багато, ми бачимо лише фрагменти повної картини світу, що інтригують.

Література:

Льоцці М. Історія фізики. М., 1970
Роджерс Е.М. Фізика для допитливих, ТТ. 1–3. М., 1972, 1973
Джеммер М. Еволюція понять квантової механіки. М., 1985

Предмет фізики

Науковий метод

Фізика – природнича наука. У її основі лежить експериментальне дослідження явищ природи, яке завдання - формулювання законів, якими пояснюються ці явища. Фізика зосереджується на вивченні фундаментальних та найпростіших явищ і на відповідях на прості питання: з чого складається матерія, яким чином частинки матерії взаємодіють між собою, за якими правилами та законами здійснюється рух частинок тощо. фізичних дослідженьлежать спостереження. Узагальнення спостережень дозволяє фізикам формулювати гіпотези про спільні загальні риси цих явищ, якими велися спостереження. Гіпотези перевіряються за допомогою продуманого експерименту, в якому явище виявлялося б у якомога чистішому вигляді і не ускладнювалося б іншими явищами. Аналіз даних сукупності експериментів дозволяє сформулювати закономірність. На перших етапах досліджень закономірності носять переважно емпіричний, феноменологічний характер, тобто описується кількісно за допомогою певних параметрів, характерних для досліджуваних тіл і речовин. Аналізуючи закономірності та параметри, фізики будують фізичні теорії, які дозволяють пояснити досліджувані явища на основі уявлень про будову тіл та речовин та взаємодію між їх складовими частинами. Фізичні теорії, своєю чергою, створюють передумови для постановки точних експериментів, у яких переважно визначаються рамки їх застосування. Загальні фізичні теорії дозволяють формулювання фізичних законів, які вважаються загальними істинами, поки що накопичення нових експериментальних результатівне вимагатиме їх уточнення.

Склався остаточний поділ праці між фізиками-теоретиками та фізиками-експериментаторами. Енріко Фермі був, мабуть, останнім видатним фізиком, успішним як у теорії, так і в експериментальній роботі.

Передній край фізики перемістився в область дослідження фундаментальних законів, ставлячи за мету створити теорію, яка б пояснювала Всесвіт, об'єднавши теорії фундаментальних взаємодій. На цьому шляху фізика здобула часткові успіхи у вигляді теорії електрослабкої взаємодії та теорії кварків, узагальненої в так званій стандартній моделі. Однак квантова теорія гравітації досі не побудована. Певні сподівання пов'язуються з теорією струн.

Починаючи зі створення квантової механіки, швидкими темпами розвивається фізика твердого тіла, відкриття якої призвели до виникнення та розвитку електроніки, а з нею та інформатики, які внесли докорінні зміни у культуру людського суспільства.

Теоретична та експериментальна фізика

В основі своєї фізика - експериментальна наука: всі її закони та теорії ґрунтуються та спираються на досвідчені дані. Однак найчастіше саме нові теорії є причиною проведення експериментів і, як наслідок, лежать в основі нових відкриттів. Тому прийнято розрізняти експериментальну та теоретичну фізику.

Експериментальна фізика досліджує явища природи у заздалегідь підготовлених умовах. У її завдання входить виявлення раніше невідомих явищ, підтвердження чи спростування фізичних теорій. Багато досягнень у фізиці були зроблені завдяки експериментальному виявленню явищ, що не описуються. існуючими теоріями. Наприклад, експериментальне вивчення фотоефекту послужило однією з посилок створення квантової механіки (хоча народженням квантової механіки вважається поява гіпотези Планка , висунутої ним дозволу ультрафіолетової катастрофи - феномена класичної теоретичної фізики випромінювання).

До завдань теоретичної фізики входить формулювання загальних законів природи та пояснення на основі цих законів різних явищ, а також передбачення досі невідомих явищ. Вірність будь-якої фізичної теорії перевіряється експериментально: якщо результати експерименту збігаються з прогнозами теорії, вона вважається адекватною (досить точно описує це явище).

При вивченні будь-якого явища експериментальні та теоретичні аспекти однаково важливі.

Прикладна фізика

Від свого зародження фізика завжди мала велике прикладне значення та розвивалася разом із машинами та механізмами, які людство використовувало для своїх потреб. Фізика широко використовується в інженерних науках, чимало фізиків були одночасно винахідниками і навпаки. Механіка, як частина фізики, тісно пов'язана з теоретичною механікоюта опором матеріалів, як інженерними науками. Термодинаміка пов'язана з теплотехнікою та конструюванням теплових двигунів. Електрика пов'язана з електротехнікою та електронікою, для становлення та розвитку якої дуже важливі дослідження в галузі фізики твердого тіла. Досягнення ядерної фізики зумовили появу ядерної енергетики, і тому подібне.

Фізика має також широкі міждисциплінарні зв'язки. На кордоні фізики, хімії та інженерних наук виникла та швидко розвивається така галузь науки як матеріалознавство. Методи та інструменти використовуються хімією, що призвело до становлення двох напрямів досліджень: фізичної хімії та хімічної фізики. Все потужнішим стає біофізика - область досліджень на кордоні між біологією та фізикою, в якій біологічні процесививчаються виходячи з атомарної структури органічних речовин. Геофізика вивчає фізичну природугеологічних явищ. Медицина використовує методи, такі як рентгенівські та ультразвукові дослідження, ядерний магнітний резонанс – для діагностики, лазери – для лікування хвороб очей, ядерне опромінення – в онкології тощо.

Основні теорії

Хоча фізика має справу з різноманітними системами, деякі фізичні теорії застосовні в великих областяхфізики. Такі теорії вважаються загалом вірними за додаткових обмежень. Наприклад, класична механіка вірна, якщо розміри досліджуваних об'єктів набагато більші за розміри атомів, швидкості істотно менші за швидкість світла, і гравітаційні сили малі. Ці теорії досі активно досліджуються; наприклад, такий аспект класичної механіки, як теорія хаосу був відкритий лише у XX столітті. Вони становлять основу всім фізичних досліджень.

Розділи фізики

Макроскопічна фізика

• Механіка твердого тіла

Мікроскопічна фізика

• Статистична фізика
• Фізика конденсованих середовищ
  • Фізика наноструктур

Розділи фізики на стику наук

Довідка

• Одиниці виміру фізичних величин
• Олімпіадні завдання з фізики

Найважливіші журнали

Російські

• Журнал експериментальної та теоретичної фізики (ЖЕТФ)

Закордонні

• Журнали Американського фізичного товариства
  • Physics – короткі оглядові статті за результатами, опублікованими в інших журналах товариства.
  • Reviews of Modern Physics (RMP) Публікує оглядові статті з великих розділів фізики
  • Physical Review Letters (PRL) Найбільш престижний (після Nature та Science) журнал: короткі статті з новітніх досліджень
  • Physical Review (A,B,C,D,E) Статті різного формату, більш докладні, але менш оперативно опубліковані, ніж у Phys. Rev. Lett.
• Журнали
• Європейські журнали
  • Journal of Physics (A, B, C...)
  • Physica (A, B, C...)
  • Europhysics Letters
  • Zeitschrift für Physik Саме в цьому журналі публікувалися Ейнштейн, Гейзенберг, Планк.
  • Nuovo cimento (A, B, C...)
• Науково-популярні журнали

А також архів препринтів arXiv.org, на якому статті з'являються набагато раніше від їх появи в журналах і доступні для вільного скачування.

Див. також

Посилання

Коди у системах класифікації знань

• Державний рубрикатор науково-технічної інформації (ДРНТІ) (станом на 2001 рік): 29 ФІЗИКА

Примітки

Література

• Іванов Б. Н. Закони фізики. Вид.3, М:URSS, 2010 р., 368 с

Введення до теми проекту

Фізика- Це наука про природу, що вивчає найбільш загальні властивості навколишнього світу. Вона вивчає матерію (речовина та поля) і найбільш прості і водночас найбільше загальні формиїї руху, і навіть фундаментальні взаємодії природи, управляючі рухом матерії.

Головна мета науки - виявити та пояснити закони природи, якими визначаються всі фізичні явища, для використання їх з метою практичної діяльності людини.
Світ пізнаємо, і процес пізнання нескінченний. Вивчення навколишнього світу показало, що матерія перебуває у постійному русі. Під рухом матерії розуміють будь-яку зміну, явище. Отже, навколишній світ - це матерія, що вічно рухається і розвивається.

Фізика вивчає найбільш загальні форми руху матерії та його взаємні перетворення. Деякі закономірності є спільними всім матеріальних систем, наприклад, збереження енергії, — їх називають фізичними законами.

Теплові явища в природі та техніці

Оглянемося навколо себе, і стане зрозуміло, що фізичні явища оточують нас з дитинства, що ми багато фізичних знань про світ набуваємо поряд із звичайним життєвим досвідом.

Фізику іноді називають «фундаментальною наукою», оскільки інші природні науки(Біологія, геологія, хімія та ін) описують лише деякий клас матеріальних систем, що підкоряються законам фізики.

Наприклад, хімія вивчає атоми, утворені з них речовини та перетворення однієї речовини на іншу. Хімічні властивості речовини однозначно визначаються фізичними властивостями атомів і молекул, що описуються в таких розділах фізики, як термодинаміка, електромагнетизм і квантова фізика.

Електричні явища вживий природі та техніке

Магнітні явища на Земле

Розвиток науки йде наступним шляхом. У основі лежить спостереження явищами природи, потім проведення експериментів, створення гіпотез, справедливість яких підтверджується дослідами. Якщо гіпотеза експериментально обгрунтована, то її основі створюється теорія, пояснює це явище як з якісної, а й з кількісної боку.

Фізика тісно пов'язана з математикою: математика надає апарат, за допомогою якого фізичні закониможуть бути точно сформульовані.

Фізичні теорії майже завжди формулюються як математичних висловів, причому використовуються складніші розділи математики, ніж у інших науках. І навпаки, розвиток багатьох галузей математики стимулювався потребами фізичних теорій.