Объект физики как науки

woman 3584435 1920 Советы на день

Разделы физики

Вы будете перенаправлены на Автор24

Физика – это область естествознания, это наука о простейших и наиболее общих природных законах, о материи, ее движении и структуре. В основе всего естествознания лежат законы физики.

Предмет и значение физики в современном мире

Физика – это наука о естествознании, в общем смысле слова является частью природоведения. Предметом ее изучения является материя, в виде полей и вещества, а также общие формы ее движения. Также к предмету изучения физики можно отнести фундаментальные природные взаимодействия, которые управляют движением материи.

Общими для всех материальных систем являются некоторые закономерности, которые называются физическими законами. Часто физику называют фундаментальной наукой, поскольку иные естественные науки (биология, химия, геология) описывают только конкретные классы материальных систем, которые подчиняются физическим законам.

Предмет изучения химии – атомы, вещества, что состоят из них, а также превращение одних веществ в другие. Химические свойства любого вещества определяются физическими свойствами молекул и атомов, которые описываются в таких разделах физики, как электромагнетизм, термодинамика и квантовая физика.

Физика тесно связывается с математикой, поскольку она представляет механизм, при помощи которого физические законы могут формулироваться максимально точно. Все физические законы практически всегда формулируются в виде уравнений. Причем в данном случае используются наиболее сложные разделы математики, нежели в других науках. И наоборот, потребностями физической науки стимулировалось развитие большинства областей математики.

Готовые работы на аналогичную тему

Значение физики в современном мире очень велико. Все, чем отличается нынешнее общество от общества прошлых столетий, возникло в результате применения физических открытий.

Исследования в сфере электромагнетизма привели к возникновению стационарных и мобильных телефонов. Благодаря открытиям термодинамики получилось создать автомобиль, а развитие электроники спровоцировало возникновение компьютерной техники. Фотоника дает возможность создать принципиально новые компьютеры и фотонную технику, которые стремительно замещают современную электронную технику и приспособления. А развитие газодинамики дало рождение самолетам и вертолетам.

Знание физических процессов, которые постоянно происходят в природе, углубляются и расширяются. Большая часть новых и современных открытий получает технико-экономическое применение, зачастую в промышленности.

Перед современными исследователями регулярно возникают новые задачи и загадки – всплывают явления, для объяснения которых необходимо разрабатывать новые физические теории. Несмотря на большой опыт приобретенных знаний, современная физика еще далека от того, чтобы объяснить все природные явления.

Общие научные основы методов физики разрабатываются в методологии науки и в теории познания.

Экспериментальная и теоретическая физика

В своей основе физика является экспериментальной наукой: все ее теории и законы опираются и основаны на опытных данных. Но, несмотря на это, именно новые теории – основная причина проведения новых экспериментов, в результате осуществления которых лежат новые открытия. Поэтому принято различать теоретическую и экспериментальную физику.

В основе экспериментальной физики лежит исследование явлений природы в тех условиях, которые были подготовлены заранее. В задачи данного вида физики входит обнаружение явлений, которые не были известны ранее, а также опровержение или подтверждение физических теорий. В физике большинство достижений были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению физических явлений, которые не описываются существующими теориями.

Экспериментальное изучение фотографического эффекта стало одной из предпосылок создания квантовой механики.

Хотя научным рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, который выдвинул ее для разрешения ультрафиолетовой катастрофы, что была парадоксом классической теоретической физикой излучения.

Задачами теоретической физики являются формулировка общих природных законов, объяснение их на основе различных природных явлений, а также прогнозирование неизведанных до сих пор процессов. Достоверность физической теории можно проверить экспериментально: если его результаты совпадают с прогнозами теории, то она считается адекватной и точно описывающей конкретное явление. При изучении каждого явления или процесса одинаково важны и теоретическая, и экспериментальная физика.

Прикладная физика

Физика с самого своего рождения имела огромное прикладное значение, она развивалась вместе с механизмами, машинами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика часто применяется в инженерных науках, большинство физиков были изобретателями. Механика, как раздел физики, была тесно связана с сопротивлением материалов и с теоретической механикой, как с главными инженерными науками.

Также физика имеет широкие междисциплинарные связи. На границе химии, физики и инженерных наук возникает и быстро развивается такая отрасль, как материаловедение. Химией используются инструменты и методы, что приводит к становлению двух исследовательских направлений: химической физики и физической химии.

Основные разделы физики

Макроскопическая физика подразделяется на:

Микроскопическая физика состоит из следующих разделов:

Существуют также разделы физики, которые находятся на стыке наук:

Рисунок 1. Разделы физики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Источник

Физика как наука

Происхождение понятия «физика». Развитие науки в России. Основные физические термины. Точность и погрешность измерений. Наблюдения и опыты как источники физических знаний. Значение физики для развития техники. Физические величины и их измерение.

1. Что изучает физика

2. Некоторые физические термины

3. Наблюдения и опыты

4. Физические величины и их измерение

5. Точность и погрешности измерений

6. Физика и техника

1. Что изучает физика

В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал в России первый учебник физики в переводе с немецкого языка.

Если внимательно приглядеться к происходящему в окружающем нас мире, то можно заметить, что в нем происходят разнообразные изменения, или явления.

Изменения, происходящие с телами и веществами в окружающем мире, называют явлениями.

Так, например, кусочек льда, внесенный в теплую комнату, начнет таять. Вода в чайнике, поставленном на огонь, закипит. Если по проволоке пропустить электрический ток, то она нагреется и может даже раскалиться докрасна (как в электрической лампочке).

В физике изучают: механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые и световые явления. Все эти явления называют физическими.

Любые превращения вещества или про явления его свойств, происходящие без изменения состава вещества, называют физическими явлениями.

Может ли одна такая наука, как физика, изучить множество явлений?

Физика обладает необыкновенной особенностью. Изучая самые простые явления, можно вывести общие законы.

Например, изучая свободное падение шариков, имеющих разный размер, с различной высоты, можно установить законы, которые будут выполняться при падении других тел.

Задача физики состоит в том, чтобы открывать и изучать законы, которые связывают между собой различные физические явления, происходящие в природе.

Изучением природы занимаются и другие науки: биология, химия, география, астрономия. Все эти науки применяют законы физики. Например, в географии они необходимы для объяснения климата рек, образования ветров и других явлений. В астрономии законы физики используют при изучении строения и развития небесных тел.

2. Некоторые физические термины

В физике, кроме обычных слов, используют специальные слова, или термины, обозначающие физические понятия. Некоторые из таких слов постепенно вошли в нашу разговорную речь. Например, такие, как «электричество», «энергия», «сила» и др.

В физике каждое из окружающих нас тел (песчинку, камень, Луну) принято называть физическим телом или просто телом.

Всякое тело имеет форму и объем.

Примерами другого вида материи являются свет, радиоволны. Нам известно, что радиоволны реально существуют, несмотря на то что мы их не видим.

Изучая физику, вы будете постоянно расширять свои знания, узнавать новые термины и тем самым постигать язык этой интересной науки.

3. Наблюдения и опыты

Многие знания получены людьми из собственных наблюдений. Для изучения какого-либо явления необходимо прежде всего наблюдать его и по возможности не один раз. Чтобы изучить такое явление, как падение тел на Землю, недостаточно один раз увидеть, как падает то или иное тело. Следует выяснить, будет ли разница в падении тела легкого и тяжелого. Одинаково ли падают тела различных размеров с разной высоты? Это можно узнать, если много раз наблюдать случаи падения тел.

Конечно, ждать, пока какое-либо тело упадет само, не стоит. Для этого берут разные тела и заставляют их падать. Тем самым вызывают явление падения тел, иными словами, проводят опыт. Во время опытов обычно выполняют измерения.

Опыты отличаются от наблюдений тем, что их проводят с определенной целью, по заранее обдуманному плану. Для составления такого плана лучше всего иметь предварительные догадки о том, как протекает явление, т. е. выдвинуть гипотезу.

Выдвигая ту или иную гипотезу, ученые с помощью физического эксперимента находят подтверждение физической теории или ее опровержение.

Чтобы получить научные знания об окружающем нас мире, необходимо обдумать и объяснить результаты проведенных опытов, найти причины наблюдаемых явлений, сделать выводы.

Известна легенда об итальянском ученом Г. Галилее. Для того чтобы изучить, как происходит падение тел, Галилей ронял разные шары с наклонной башни в г. Пизе. Проделав такие опыты, ученый получил подтверждение своей гипотезы и открыл закон падения тел.

Таким образом, источниками физических знаний являются наблюдения и опыты.

4. Физические величины и их измерение

В быту, технике, при изучении физических явлений часто приходится выполнять различные измерения. Так, например, изучая падение тела, необходимо измерить высоту, с которой падает тело, массу тела, его скорость, время падения. Высота, масса, скорость, время и т. д. являются физическими величинами. Физическую величину можно измерить.

Для каждой физической величины приняты свои единицы.

Для проведения опытов необходимы приборы. Одни из них очень просты и предназначены для простых измерений. К таким приборам можно отнести: измерительную линейку, рулетку, измерительный цилиндр и др.

По мере развития физики приборы усложнялись и совершенствовались. Появились амперметры, вольтметры, секундомеры, термометры.

Измерительные приборы, как правило, имеют шкалу. Это значит, что на приборе нанесены штриховые деления, а рядом написаны значения величин, соответствующие делениям. Расстояния между двумя штрихами, возле которых написаны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены еще на несколько делений. Эти деления иногда не обозначены числами.

Определить, какому значению величины соответствует каждое самое малое деление, нетрудно. Так, например, возьмем измерительную линейку. Цифрами 1, 2, 3, 4 и т. д. обозначены расстояния между штрихами, которые разделены на 10 одинаковых делений. Следовательно, каждое деление (расстояние между ближайшими штрихами) соответствует 1 мм. Эта величина называется ценой деления шкалы прибора.

Перед тем как приступить к измерению физической величины, следует определить цену деления шкалы используемого прибора.

Для того чтобы определить цену деления, необходимо:

— найти два ближайших штриха шкалы, возле которых написаны значения величины;

— вычесть из большего значения меньшее и полученное число разделить на число делений, находящихся между ними.

Определим цену деления термометра.

Возьмем два штриха, около которых нанесены значения измеряемой величины (температуры).

Например, штрихи с обозначениями 10 °С и 20 °С. Расстояния между этими штрихами разделены на 10 делений. Следовательно, цена деления будет равна:

Следовательно, термометр показывает 24 °С.

5. Точность и погрешность измерений

Всякое измерение может быть выполнено с большей или меньшей точностью.

В качестве примера рассмотрим измерение длины бруска демонстрационным метром с сантиметровыми делениями.

Вначале определим цену деления линейки. Она будет равна 1 см.

Если левый конец линейки совместить с нулевым штрихом, то правый будет находиться между 11 и 12 штрихами, но ближе к 11.

Какое из этих двух значений следует принять за длину бруска? Очевидно, то, которое ближе к истинному значению, т. е. 11 см.

Считая, что длина бруска 11 см, мы допустили неточность, так как брусок чуть длиннее 11 см.

В физике допускаемую при измерении неточность называют погрешностью измерений. Погрешность измерения не может быть больше цены деления измерительного прибора.

В нашем случае погрешность измерения бруска не превышает 1 см. Если такая точность измерений нас не удовлетворяет, то можно произвести измерения с большей точностью. Но тогда придется взять масштабную линейку с миллиметровыми делениями, т. е. с ценой деления 1 мм.

В этом случае длина бруска окажется равной 11,4 см.

Из этого примера видно, что точность измерений зависит от цены деления шкалы прибора.

Чем меньше цена деления, тем больше точность измерения. Точность измерения зависит также от правильного применения измерительного прибора, расположения глаза при отсчете по прибору.

Вследствие несовершенства измерительных приборов и наших органов чувств при любом измерении получаются лишь приближенные значения, несколько большие или меньшие истинного значения измеряемой величины.

Во время выполнения лабораторных работ или просто измерений следует считать, что: погрешность измерений равна половине цены деления шкалы измерительного прибора.

Измерим длину шариковой ручки. Нулевую отметку линейки совместим с одним концом ручки, а другой ее конец окажется вблизи 14 см. Цена деления линейки 1 мм, тогда погрешность измерения будет равна 0,5 мм или 0,05 см.

Следовательно, длину ручки можно записать в виде:

Истинное значение длины ручки находится в интервале от 13,95 см до 14,05 см.

При записи величин, с учетом погрешности, следует пользоваться формулой:

6. Физика и техника

Развитие физики сопровождалось изменением представлений людей об окружающем мире. Отказ от привычных взглядов, возникновение новых теорий, изучение физических явлений характерно для физики с момента зарождения этой науки до наших дней.

Важное значение имеют открытия в области физики для развития техники. Например, двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение автомобили, тепловозы, речные и морские суда, был создан на основе изучения тепловых явлений.

С развитием науки в технике за последние десятилетия произошли грандиозные изменения.

То, что раньше считалось научной фантастикой, сейчас является реальностью. Сегодня трудно представить нашу жизнь без видеомагнитофона, компьютера, мобильной и интернет-связи.

В свою очередь, развитие техники влияет на развитие науки. Так, например, усовершенствованные машины, компьютеры, точные измерительные и другие приборы используются учеными при исследовании физических явлений. После того как были созданы современные приборы и ракеты, стало возможным глубже изучить космическое пространство.

Подобных примеров можно привести множество. Открытия, сделанные в науке, есть результат упорного труда многих ученых разных стран.

Рассмотрим некоторые этапы развития физики.

Возникновение физической теории связано с именем выдающегося английского физика и математика Исаака Ньютона. Обобщив результаты наблюдений и опытов своих предшественников (Н. Кеплера, Г. Галилея), Ньютон создал огромный труд «Математические начала натуральной философии ». В этой работе ученый изложил важнейшие законы механики, которые были названы его именем. Законы Ньютона привели к бурному развитию представлений о механическом движении.

Дальнейшее развитие физики определилось изучением тепловых и электромагнитных явлений. Стремление ученых проникнуть в глубь тепловых процессов привело к зарождению идей о молекулярном строении вещества.

Исследования электромагнитных явлений коренным образом изменило научную картину мира. Оказалось, что нас окружают физические тела и поля. Общую теорию электромагнитных явлений создал Джеймс Максвелл.

Теория Максвелла объяснила природу света и помогла разработке новых технических приборов и устройств, основанных на явлениях электромагнетизма.

Ярким подтверждением связи науки и техники явился огромный прорыв в области изучения космоса. Так, 4 октября 1957 г. в нашей стране был запущен первый в мире искусственный спутник Земли, а 12 апреля 1961 г. Юрий Алексеевич Гагарин стал первым космонавтом. Его полет длился 1 ч 48 мин. 21 июля 1969 г. впервые была осуществлена посадка на Луну американского космического корабля с астронавтами на борту: Нейлом Армстронгом и Эдвином Олдрином. Большой вклад в научную и техническую разработку космических полетов сделал Сергей Павлович Королев.

Здесь названы лишь основные этапы развития физики и перечислены немногие из выдающихся людей науки, сделавших важные открытия, благодаря которым развивалась эта наука.

Подобные документы

Что изучает физика? Зарождение физических представлений. Физические концепции эпохи античности. Специфика первых систем теоретического физического знания. Физические концепции средневековья. Физические концепции эпохи. Возрождения физические концепций.

реферат [144,7 K], добавлен 08.04.2003

Физические представления античности и Средних веков. Развитие физики в Новое время. Переход от классических к релятивистским представлениям в физике. Концепция возникновения порядка из хаоса Эмпедокла и Анаксагора. Современная физика макро- и микромира.

реферат [26,0 K], добавлен 27.12.2016

Предмет физики и ее связь со смежными науками. Общие методы исследования физических явлений. Развитие физики и техники и их взаимное влияния друг на друга. Успехи физики в течение последних десятилетий и характеристика ее современного состояния.

учебное пособие [686,6 K], добавлен 26.02.2008

Научно-техническая революция (НТР) ХХ века и ее влияние на современный мир. Значение физики и НТР в развитии науки и техники. Открытие и применение ультразвука. Развитие микроэлектроники и применение полупроводников. Роль компьютера в развитии физики.

презентация [4,5 M], добавлен 04.04.2016

Средняя квадратическая погрешность результата измерения. Определение доверительного интервала. Систематическая погрешность измерения величины. Среднеквадратическое значение напряжения. Методика косвенных измерений. Применение цифровых частотомеров.

контрольная работа [193,8 K], добавлен 30.11.2014

Сущность физики как науки о формах движения материи и их взаимных превращениях. Теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания, ее методы исследований. Основные величины, используемые в механике, молекулярной физике, термодинамике и оптике.

лекция [339,3 K], добавлен 28.06.2013

Предмет и структура физики. Роль тепловых машин в жизни человека. Основные этапы истории развития физики. Связь современной физики с техникой и другими естественными науками. Основные части теплового двигателя и расчет коэффициента его полезного действия.

реферат [751,3 K], добавлен 14.01.2010

Важная роль физики в техническом развитии оборонной промышленности. Теоретические исследования физиков, начальное развитие новых отраслей науки: теории относительности, атомной квантовой физики. Работы в области радиотехники, военных прикладных отраслей.

доклад [17,9 K], добавлен 27.02.2011

Основные представители физики. Основные физические законы и концепции. Концепции классического естествознания. Атомистическая концепция строения материи. Формирование механической картины мира. Влияние физики на медицину.

реферат [18,6 K], добавлен 27.05.2003

курсовая работа [745,6 K], добавлен 27.02.2012

Источник

Физика

Комплексная наука • Естествознание
Физика
Φυσική
CollageFisica
Предмет
изучения
Материя (в виде вещества и полей) и наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Период
зарождения
V век до н. э. — XVI век

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа):

Термин «физика» впервые фигурирует в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимами, так как в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика развилась в самостоятельную научную отрасль.

В русский язык слово «физика» было введено М. В. Ломоносовым, издавшим первый в России учебник физики — свой перевод с немецкого языка учебника «Вольфианская экспериментальная физика» Х. Вольфа (1746). Первым оригинальным учебником физики на русском языке стал курс «Краткое начертание физики» (1810), написанный П. И. Страховым.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров. Развитие фотоники способно дать возможность создать принципиально новые — фотонные — компьютеры и другую фотонную технику, которые сменят существующую электронную технику.

Знания физики процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико-экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Содержание

Предмет физики

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания: наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем (например сохранение энергии), — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки, — биология, геология, химия и др. — описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, состоящие из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Такой довольно распространенный редукционистский взгляд является не бесспорным. Даже у химии, не говоря о биологии, есть свои специфические модели, лишь фрагменты которых могут быть представлены как физическое явление

Научный метод

Физика — естественная наука. В её основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а её задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточена на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д.

В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих чертах этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление (феномен) проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями (феноменами). Анализ данных совокупности экспериментов позволяет выявить и сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, — то есть явление описывается количественно с помощью определённых параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются как рамки их применимости. Общие физические теории позволяют формулировать физические законы, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения или пересмотра.

Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажнённых нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел выявить для него количественную закономерность, — ток в проводнике прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению проводника току. Эта закономерность известна как закон Ома. При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. Результаты дальнейших исследований позволили абстрагироваться от формы и длины проводников тока и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования также выявили и рамки его применимости, — открыты элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками, а также вещества, в определенных ситуациях не имеющие никакого электрического сопротивления — сверхпроводники. После открытия заряженных микрочастиц — электронов (позже протонов и других), была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.

Количественный характер физики

Физика — количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ, но большинство теоретиков по-прежнему предпочитает пользоваться Гауссовой системой единиц.

Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.

С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры. Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как и единица измерения температуры. И количество теплоты, и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам — постоянная Больцмана — считается физической постоянной.

История физики

Физика — это наука о материи, её свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин. Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы, не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, ещё в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а великий греческий учёный Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.

Период до научной революции

Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привело к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся в середине XVI века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Сюда входят эллиптические модели [источник не указан 3007 дней] планетарных орбит, опиравшиеся на гелиоцентрическую модель Солнечной системы, которую разработал индийский математик и астроном Ариабхата, базовые положения атомизма, предложенные индусскими и джайнистскими философами, теория буддистских мыслителей Дигнаги и Дхармакирти о том, что свет эквивалентен энергетическим частицам, оптическая теория арабского учёного Ибн ал-Хайсама (Альхазена). Персидский учёный Насир ад-Дин ат-Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.

Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В XII—XIII веках нашли свой путь в Европу также произведения индийских и персидских учёных. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн ал-Хайсам считается [ кем? ] основоположником научного метода. В своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, он описывал эксперименты, поставленные для того, чтобы доказать справедливость своей теории зрения, которая утверждала, что глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Ибн ал-Хайсама использовалась камера-обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света.

Научная революция

Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т. д.

Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Николаю Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «О вращении небесных сфер».

После этого в течение примерно ста лет человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилей, Христиан Гюйгенс, Иоганн Кеплер, Блез Паскаль и др. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путем. В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные как законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширена Леонардом Эйлером, Жозефом Луи Лагранжем, Уильямом Роуэном Гамильтоном и другими. Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений. В России первым Ломоносов внёс значительный вклад в развитие физической минералогии, математической физике, биофизике и в астрономии, в разделе северных сияний, физике «хвостов» комет. Среди наиболее значимых научных достижений Ломоносова в области физики является его атомно-корпускулярная теория строения вещества и материи. Работы Ломоносова и его соратника Г. В. Рихмана внесли важный вклад в понимание электрической природы грозовых разрядов. Ломоносов не только провёл блестящее многолетнее исследование атмосферного электричества и установил ряд эмпирических закономерностей грозовых явлений, но и в работе «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих» (1753) объяснил причину возникновения электричества в грозовых облаках конвекцией теплого воздуха (у поверхности Земли) и холодного воздуха (в верхних слоях атмосферы). Ломоносов разработал теорию света и выдвинул трёхкомпонентную теорию цвета, с помощью которой объяснил физиологические механизмы цветовых явлений. По мысли Ломоносова, цвета вызываются действием трёх родов эфира и трёх видов цветоощущающей материи, составляющей дно глаза. Теория цвета и цветового зрения, с которой Ломоносов выступил в 1756 году, выдержала проверку временем и заняла должное место в истории физической оптики. После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких учёных XVII и XVIII веков, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей показал связь электричества и магнетизма, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Из системы уравнений Максвелла следовало существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Экспериментальное подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.

С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн, победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики. На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Огюстена Френеля и Томаса Юнга.

В XVIII и начале XIX века были открыты основные законы поведения газов, а работы Сади Карно по теории тепловых машин открыли новый этап в становлении термодинамики. В XIX веке Юлиус Майер и Джеймс Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к расширенной формулировке закона сохранения энергии (первый закон термодинамики). Благодаря Рудольфу Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики и введено понятие энтропии. Позже Джозайя Уиллард Гиббс заложил основы статистической физики, а Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии.

К концу XIX века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома. В это время существенно изменилась и роль физики в обществе. Возникновение новой техники (электричества, радио, автомобиль и т. д.) требовало большого объёма прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории; такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.

Смена парадигм

Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног классического электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффектом и изучение спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.

В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.

Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно чёрного тела, Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая ещё больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы. В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.

Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел своё решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускулам, так и волнам. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракцией электронов.

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла своё точную математическую формулировку, подтверждённую многочисленными экспериментами. В 1927 году была создана копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.

Физика современности

Lasers

зелёный (520 нм), синий (445 нм) и красный (635 нм) лазеры.

С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакций новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.

Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.

Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.

Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.

Теоретическая и экспериментальная физика

Meissner effect p1390048

В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.

Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).

В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).

При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.

Прикладная физика

Archimedes screw one screw threads with ball 3D view animated small

От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.

Основные теории

Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований. В рамках этих теорий Ломоносов М. В.объяснил причины агрегатных состояний веществ (твёрдое, жидкое и газообразное состояния) и разработал теорию теплоты.

Источник

Оцените статью
Добавить комментарий

Adblock
detector