Microcamtest

Лайфстайл портал

Значение слова ФИЗИКА. Что такое ФИЗИКА?

Явления неживой природы

Окружающий человека мир постоянно меняется. Изменения в неживой природе называются физическими явлениями. Летит птица или ползет гусеница, сверкает молния, гремит гром, идет дождь, река несет свои воды мимо берегов, падает с дерева листок, просыпается вулкан, ветер поднимает пыль на дороге, кипит вода в чайнике, тает снег и много-много другого происходит вокруг. (Если нужно рассмотреть изменения, происходящие в живом организме птицы или гусеницы, то этим займутся другие науки, например, биология, зоология).


Спящий вулкан  


Летящий самолёт 


Полярное сияние  

Существует несколько видов физических явлений.

  • Механические – явления, связанные с движением. Летит самолет, бежит спортсмен, едет автомобиль. Звук — тоже движение колеблющихся тел;
  • Тепловые – процессы, которые связаны с температурой тел. Нагревание воздуха в доме от батареи, горение дров в костре, образование льда на речке. Вот примеры тепловых явлений;
  • Электрические – явления, обусловленные существованием в природе заряженных частиц. Например, работа электроприборов, молния, полярное сияние, искорки вокруг синтетической одежды в темноте;
  • Магнитные – явления, связанные с действием магнита на некоторые тела. Стрелка компаса показывает на Юг и на Север, потому что Земля – это огромный магнит. В школе на уроках физики демонстрируют полосовой и дугообразный магниты. Электрические и магнитные явления тесным образом связаны друг с другом, поэтому их называют электромагнитными;
  • Оптические (световые) явления – частный случай электромагнитных изменений. Солнечный «зайчик», радуга, зеркальное отражение – все это небольшая частица многочисленных явлений оптики.

Многие процессы имеют сложный характер. Например, вспышка молнии – это одновременно и электрическое, и магнитное, и оптическое явление.

Видео

Тематика научных исследований

Физики используют научный метод для проверки обоснованности физической теории. Используя методический подход для сравнения последствий теории с выводами, сделанными из связанных с ней экспериментов и наблюдений, физики лучше могут проверить обоснованность теории логическим, беспристрастным и повторяемым образом. С этой целью проводятся эксперименты и проводятся наблюдения с целью определения обоснованности или недействительности теории.

Научный закон является кратким словесным или математическим изложением отношения, которое выражает фундаментальный принцип какой-либо теории, такой как закон всемирного тяготения Ньютона .

Теория и эксперименты

Теоретики стремятся разработать математические мод

Теоретики стремятся разработать математические модели, которые согласуются с существующими экспериментами и успешно предсказывают будущие результаты экспериментов, а экспериментаторы разрабатывают и проводят эксперименты для проверки теоретических прогнозов и изучения новых явлений. Хотя, теория и эксперимент разрабатываются отдельно, они сильно зависят друг от друга. Прогресс в физике часто возникает, когда экспериментаторы делают открытие, которое существующие теории не могут объяснить, или когда новые теории генерируют экспериментально проверяемые прогнозы, которые вдохновляют на новые эксперименты.

Физиков, работающих на взаимодействии теории и эксперимента, называют феноменологами, изучающими сложные явления, наблюдаемые в эксперименте, и работающими над их соотнесением с фундаментальной теорией.

Теоретическая физика исторически черпала вдохновение из философии, таким образом был унифицирован электромагнетизм . Помимо известной вселенной, область теоретической физики также занимается гипотетическими вопросами, такими как параллельные вселенные, мультверсы и более высокие измерения. Теоретики ссылаются на эти идеи в надежде решить конкретные проблемы с существующими теориями. Затем они изучают последствия этих идей и работают над тем, чтобы сделать проверяемые предсказания.

Экспериментальная физика расширяется инженерией и технологиями. Физики-экспериментаторы, участвующие в фундаментальных исследованиях, проектируют и проводят эксперименты с оборудованием, таким как ускорители частиц и лазеры, тогда как те, кто участвует в прикладных исследованиях, часто работают в промышленности, разрабатывая такие технологии, как магнитно-резонансная томография (МРТ) и транзисторы. Фейнман отмечал, что экспериментаторы могут обращаться к областям, которые не достаточно хорошо исследованы теоретиками.

Теплота и термодинамика

Еще каких-нибудь сто лет назад господствовало представление о теплоте как о некой калорической жидкости. Считалось, что эта жидкость есть во всех телах, и от того, сколько ее содержится в теле, зависит его температура. В том, что температура тел, находящихся в тепловом контакте, выравнивается, усматривали аналогию с установлением общего уровня жидкости в сообщающихся сосудах. Теория калорической жидкости в том виде, как ее сформулировал Дж.Блэк (1728–1799), могла объяснить широкий круг явлений. Однако в некоторых пунктах встречались затруднения. Например, хорошо известно, что если нагревать лед, то его температура не повышается до тех пор, пока весь лед не растает. Такое тепло Блэк назвал «скрытым» (термин «скрытая теплота плавления» сохранился поныне), имея в виду, что при таянии льда теплота как-то переходит в частицы воды, не производя обычного эффекта. Вода вмещает большое количество скрытой теплоты, и когда мфорд (1753–1814) показал, что вес льда при таянии остается неизменным, было решено, что калорическая жидкость невесома. В другом опыте, проведенном в Мюнхенском арсенале на станке, на котором рассверливали стволы пушек, Румфорду удалось добиться выделения огромного количества тепла при небольшом количестве металлической стружки: для этого он в течение двух с половиной часов сверлил болванку тупым сверлом. Румфорд счел, что его опыт убедительно доказал несостоятельность теории калорической жидкости, но ее сторонники возразили, что в материи очень много калорической жидкости и даже при сверлении тупым сверлом высвобождается только малая ее часть. Калорическая теория, подлатанная таким образом, просуществовала примерно до 1850. Однако еще Демокрит более чем за 2000 лет до этого выдвигал другую гипотезу. Если материя состоит из крохотных частиц, то отличие твердого тела от жидкости определяется разной силой их сцепления. Если принять, что вначале при нагревании частицы твердого тела начинают просто сильнее колебаться, оставаясь на своих местах, то разумно предположить, что при нагревании выше определенной температуры частицы будут срываться со своих мест, образуя жидкость, а при дальнейшем нагревании произойдет следующее превращение – жидкость станет газом. Галилей высказал аналогичную идею в 1623, а Декарт писал в 1644, что «под теплом и холодом следует понимать не что иное, как ускорение и замедление материальных частиц». Ньютон, расходившийся с теорией Декарта почти по всем вопросам, в этом пункте был с ней согласен.

Что изучает физика?

Хотя физика охватывает широкий спектр разнообразны

Хотя физика охватывает широкий спектр разнообразных систем, некоторые физические теории используются всеми физиками. Каждая из этих теорий неоднократно экспериментально проверялась и считалась адекватной аппроксимацией природы. Например, теория классической механики точно описывает движение объектов, при условии, что они намного больше атомов и движутся с гораздо меньшей скоростью, чем скорость света. Эти теории продолжают оставаться предметом активных исследований. Теория хаоса, замечательный аспект классической механики был обнаружен в XX веке, через три столетия после первончальной формулировки классической механики Исааком Ньютоном (1642-1727).

Эти центральные теории являются важным инструментом для исследования более специализированных тем, и предполагается, что любой физик, независимо от его специализации, разбирается в них. Сюда относятся классическая механика, квантовая механика, термодинамика и статистическая механика, электродинамика и специальная теория относительности.

Основные теории классической физики

Классическая физика включает в себя традиционные ветви и темы, которые были признаны и хорошо разработаны до начала XX века, — классическую механику, акустику, оптику, термодинамику и электромагнетизм. Классическая механика имеет дело с телами, на которые действуют силы, и телами, находящимися в движении, и может быть разделена на статику (изучение сил, действующих на тело или тела, не приводящие последние к ускорению), кинематику (изучение движения без учета причин, вызывающих его) и динамику (изучение движения и сил, которые на его вызывают). Механика может быть также разделена на механику твердого тела и механику жидкости (известную вместе как механика сплошных сред), последняя включают такие отрасли, как гидростатика, гидродинамика, аэродинамика, пневматика. Предметом изучения акустики является изучение того, как производится звук, распространяется, передается и принимается. Важными современными отраслями акустики являются ультразвуковая акустика  — изучение звуковых волн очень высокой частоты за пределами диапазона человеческого слуха; биоакустика — физика звуков и слуха животных, электроакустика — манипуляция звуковыми волнами с помощью электроники.

Оптика - это наука о свете, имеет дело не только с

Оптика — это наука о свете, имеет дело не только с видимым светом, но и инфракрасным и ультрафиолетовым излучением, которые обладают всеми свойствами видимого света, кроме видимости, например, отражением, преломлением, интерференцией, дифракцией, дисперсией и поляризацией света. Теплота — это форма энергии, внутренняя энергия, которой обладают частицы, из которых состоит вещество. Термодинамика изучает связь между теплом и другими формами энергии. Электричество и магнетизм изучены как единая отрасль физики, так как тесная связь между ними была обнаружена в начале XIX века; электрический ток порождает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток. Электростатика занимается электрическими зарядами в состоянии покоя, электродинамика — движущимися зарядами, и магнитостатика имеет дело с магнитными полюсами в состоянии покоя.

Основные теории современной физики

Классическая физика, как правило, связана с материей и энергией при нормальных масштабах наблюдения, в то время как большая часть современной физики связана с поведением материи и энергии в экстремальных условиях или в очень больших или очень малых масштабах. Например, атомная и ядерная физика изучает вещество при малых масштабах, при которых можно распознавать химические элементы. Физика элементарных частиц оперирует в еще меньшем масштабе, так как она связана с самыми основными единицами материи. Эта отрасль физики также известна как физика высоких энергий из-за чрезвычайно высоких энергий, необходимых для получения многих типов частиц в ускорителях частиц. В таком масштабе обычные представления о пространстве, времени, материи и энергии уже не действуют.

Две главные теории современной физики представляют картину понятий пространства, времени и материи, отличную от представленной классической физикой. Классическая механика приближенно рассматривает природу как непрерывную, в то время как квантовая теория связана с дискретным характером многих явлений на атомном и субатомном уровнях и с взаимодополняющими корпускулярным и волновым подходом в описании таких явлений. Теория относительности касается описания явлений, которые происходят в системе отсчета, которая движется относительно наблюдателя. Специальная теория относительности связана с относительным равномерным движением по прямой, а общая теория относительности — с ускоренным движением и его связью с гравитацией. Квантовая теория, и теория относительности находят применение во всех областях современной физики.

Разница между классической и современной физикой

В то время как физика стремится открыть универсаль

В то время как физика стремится открыть универсальные законы, ее теории лежат в конкретных областях применения. Грубо говоря, законы классической физики точно описывают системы, чьи характерные размеры больше атомного масштаба и чьи движения намного медленнее, чем скорость света. За пределами этой области, наблюдения не совпадают с прогнозами, предоставленными классической механикой. Альберт Эйнштейн внес вклад в рамках специальной теории относительности, которая заменила понятия абсолютного пространства и времени на пространство-время и позволило составить точное описание систем, компоненты которых имеют скорость приближающуюся к скорости света. Макс Планк, Шредингер и другие ввели квантовую механику — вероятностное представление частиц и взаимодействий, что предоставило точное описание явлений в атомных и субатомных масштабах. Позже, квантовая теория поля объединила квантовую механику и специальную теорию относительности. Общая теория относительности предоставила динамическое искривление пространства-времени, с помощью которого весьма массивные системы и крупномасштабные структуры Вселенной могут быть хорошо описаны. Общая теория относительности до сих пор не унифицирована с другими фундаментальными описаниями, и несколько теорий-кандидатов на звание теории квантовой гравитации в данное время разрабатываются.

История физики

Основная статья: История физики

Физика — это наука о материи, ее 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, еще в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а греческий мудрец Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.

Физика — наука о природе

Еще в глубокой древности люди начали собирать информацию об окружающем мире. Кроме обычного любопытства, это было вызвано практическими нуждами. Ведь, например, если знаешь, как поднять и переместить тяжелые камни, то сможешь возвести прочные стены и построить дом, жить в котором удобнее, чем в пещере или землянке. А если научишься выплавлять металлы из руд и изготавливать плуги, косы, топоры, оружие и т. п., сможешь лучше вспахать поле и получить более высокий урожай, а в случае опасности сумеешь защитить свою землю.

В древности существовала только одна наука — она объединяла все знания о природе, которые накопило к тому времени человечество. В наши дни эта наука называется естествознанием.

Всё о физической науке

С течением времени объем научных знаний об окружающем мире неизмеримо увеличился, и естествознание разделилось на отдельные науки — биологию, химию, астрономию, географию и ряд других (рис. 1.1). Одной из частей естествознания является физика. Благодаря достижениям физической науки человечество обладает уникальными знаниями о структуре и поведении самых разнообразных объектов — от гигантских звезд до мельчайших частиц вещества — атомов и молекул.

Рис. 11.  Физика, химия, география, биология берут

Рис. 11.  Физика, химия, география, биология берут свое начало от естествознания

Эти знания стали основой для создания новых технологий и приборов, которые помогают в работе врачам и строителям, путешественникам и земледельцам, облегчают нашу повседневную жизнь, открывают быстрый доступ к запасам информации, накопленным человечеством и т. п.

Чтобы понять, как далеко шагнуло вперед человечество, достаточно сравнить условия морских путешествий в глубокой древности и в наши дни (рис. 1.2).

В отличие от древнегреческих парусников, корабль XXI века имеет двигатель и не зависит от прихотей ветра. Современный капитан имеет подробную карту района плавания. Его судно оснащено спутниковой системой GPS, благодаря которой ему всегда известны местонахождение и курс. Сонар — устройство для зондирования морского дна — предупредит капитана о подводных скалах и рифах, а радар — о надводных опасностях (айсбергах и других судах) в условиях плохой видимости. В случае аварии капитан всегда может вызвать помощь по радио.

Очевидно, что с современным оснащением осуществлять морские путешествия стало намного безопаснее. А ведь все эти приборы, механизмы и устройства созданы благодаря знанию законов физики (рис. 1.3), к изучению которой вы сейчас приступаете.

Из чего состоит окружающий мир

Все, что нас окружает, ученые называют материей. Услышав слово «материя*, многие из вас представляют себе какую-то ткань — например джинсовую. Но для физиков это понятие намного шире. Ту материю, которую можно воспринять с помощью наших органов чувств (например, пощупать), называют веществом. Вещество — это и металлы, и пластики, и дерево, и воздух. О структуре и свойствах вещества вы узнаете, изучив раздел 2 этого учебника. ■ Определенная часть пространства, занятая веществом, называется физическим телом..

Так, физическими телами являются любые окружающие нас предметы: ручка, тетрадь,

Рис. 1.2. Древнегреческий герой Одиссей долгие год

Рис. 1.2. Древнегреческий герой Одиссей долгие годы не мог вернуться на родину. При каждой новой попытке буря забрасывала его корабль в неизвестное место. Капитан современной яхты доставил бы античного героя домой всего за несколько дней

Рис. 1.3, Благодаря знанию законов физики созданы

Рис. 1.3, Благодаря знанию законов физики созданы технические средства, позволяющие за считанные секунды связаться с любой точкой мира

стол, дверь и т. д. Человек, дерево, облако, Солнц

стол, дверь и т. д. Человек, дерево, облако, Солнце, Земля — это тоже примеры физических тел (рис. 1.4).

В XIX столетии ученые установили, что кроме вещества существует еще один вид материи, который невозможно «пощупать». Этот особый вид материи называется полем. С помощью поля — невидимых электромагнитных волн — мы имеем возможность связываться со своими собеседниками по мобильному телефону, капитан корабля — запросить спутник о координатах своего судна. С помощью подобных волн работают радио и телевидение. Еще одним примером электромагнитного поля является свет. С некоторыми свойствами света вы познакомитесь при изучении раздела 3.

Физические явления

Материя вокруг нас постоянно изменяется. Некоторые тела перемещаются относительно друг друга, часть из них сталкиваются и, возможно, разрушаются, из одних тел образуются другие… Перечень таких изменений можно продолжать и продолжать — недаром еще в глубокой древности философ Гераклит заметил: «Все течет, все меняется*. Изменения в окружающем нас мире, то есть в природе, ученые называют специальным термином — явления.

Восход и закат Солнца, сход снежной лавины, изверж

Восход и закат Солнца, сход снежной лавины, извержение вулкана, бег лошади, прыжок пантеры — все это примеры природных явлений (рис. 1.5).

Чтобы лучше понять сложные природные явления, ученые разделяют их на совокупность физических явлений — явлений, которые можно описать с помощью физических законов.

На рис. 1.6 показана совокупность физических явлений, образующих сложное природное явление — грозу. Так, молния — огромный электрический разряд — представляет собой электромагнитное явление. Если молния попадет в дерево, то оно вспыхнет и начнет выделять тепло — физики в таком случае говорят о тепловом явлении. Грохот грома и потрескивание пылающего дерева — звуковые явления.

Примеры некоторых физических явлений приведены в таблице. Взгляните, например, на первую строку таблицы. Что может быть общего между полетом ракеты, падением камня и вращением целой планеты? Ответ прост. Все приведенные в этой строке примеры явлений описываются одними и теми же законами — законами механического движения. С помощью этих законов можно вычислить координаты любого движущегося тела (будь то камень, ракета или планета) в любой интересующий нас момент времени. Каждый из вас, снимая свитер или расчесывая волосы

Каждый из вас, снимая свитер или расчесывая волосы пластмассовым гребнем, наверняка обращал внимание на появляющиеся при этом крохотные искры. И эти искры, и могучий разряд молнии относятся к одним и тем же электромагнитным явлениям и, соответственно, подчиняются одним и тем же законам. Поэтому для изучения электромагнитных явлений не стоит дожидаться грозы. Достаточно изучить, как ведут себя безопасные искорки, чтобы понять, чего следует ждать от молнии и как избежать возможной опасности. Впервые такие исследования провел американский ученый Б. Франклин (1706—1790), который изобрел эффективное средство защиты от грозового разряда — молниеотвод.

Изучив физические явления по отдельности, ученые устанавливают их взаимосвязь. Так, разряд молнии (электромагнитное явление) обязательно сопровождается значительным повышением температуры в канале молнии (тепловое явление). Исследование этих явлений в их взаимосвязи позволило не только лучше понять природное явление — грозу, но и найти путь практического применения электромагнитных и тепловых явлений. Наверняка каждый из вас, проходя мимо строительной площадки, видел рабочих в защитных масках и ослепительные вспышки электросварки. Электросварка (способ соединения металлических деталей с помощью электрического разряда) — это и есть пример практического использования научных исследований.

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА

До 1940-х годов основные виды известной тогда материи выглядели довольно просто: атом состоял из электронов, движущихся вокруг массивного ядра; при некоторых условиях он испускал свет в форме квантов, называвшихся фотонами; ядра состояли из нейтронов и протонов (нуклонов), каждый из которых обладал массой, примерно в 1840 раз превышающей массу электрона; частица третьего типа с массой, промежуточной между массой электрона и протона, названная «мезоном», отвечала за взаимодействие частиц ядра (нуклонов), а фотон, квант электромагнитного поля, удерживал вместе электрон и ядро. В то время было естественно рассматривать все перечисленные выше частицы как элементарные формы материи, аналогичные элементам традиционной химии, из которых состоит все, что нас окружает. Однако с открытием в последнее время большого числа новых частиц зародилось сомнение в том, что все они действительно элементарны. Основные работы в этой очень трудной области физики ведутся в научно-исследовательских центрах, располагающих чрезвычайно дорогостоящими экспериментальными установками. В Соединенных Штатах это Брукхейвенская и Аргоннская национальные лаборатории, Национальная лаборатория ускорителей близ Чикаго, Станфордский линейный ускоритель, в Западной Европе – ЦЕРН, Европейский совет по ядерным исследованиям (European Council for Nuclear Research) в Женеве, объединяющий 12 стран. Несколько научно-исследовательских центров, возникших при больших ускорителях, имеется в России.

Главная задача фундаментального изучения материи состоит в том, чтобы как можно больше узнать о всех возможных ее формах, т.е. установить, какие бывают элементарные частицы и каковы их свойства, объяснить, почему наша Вселенная содержит именно эти, а не другие разновидности частиц. В 1970-х годах возникла теория, в которой элементарные частицы считались состоящими из еще более фундаментальных «кирпичиков» материи – кварков. Сначала кварков было всего три, затем их стало 12, а чуть позже – 15. Как это часто бывало в прошлом с другими теориями материи, с каждым таким расширением списка частиц усиливалось подозрение, что теория кварков при всей ее привлекательности все же не является подлинно фундаментальной.

Теги