Физика как наука. Методы физического исследования

Физика как наука.
Методы физического исследования
Комплекс наук о природе называется естествознанием. Физика - это наука, изучающая
наиболее простые и вместе с тем наиболее общие закономерности природы: её свойства,
строение и законы движения.
Физика изучает неживую природу. В настоящее время известны два вида неживой
природы: вещество и поле. К первому виду (веществу) относятся атомы, молекулы и все
состоящие из них тела. Второй вид природы образуют гравитационные,
электромагнитные и другие поля. Предназначение полей - передавать с конечной
скоростью взаимодействие между телами. Вещество и поле могут превращаться друг в
друга. Например, электрон и позитрон как представители вещества, при аннигиляции
превращаются в фотоны, то есть в электромагнитное поле. Возможен и обратный процесс.
Природа находится в непрерывном движении, которое представляет собой её
неотъемлемое свойство. Движение природы осуществляется в пространстве и времени.
В зависимости от того, движение каких физических объектов изучается и какое оно по
своему характеру, физику условно разделяют на механику, молекулярную физику и
термодинамику, электричество и магнетизм, колебания и волновые процессы, квантовую
физику.
Физика, как и любая наука, базируется на определённых понятиях - величинах.
Физическая величина - это свойство, общее для многих физических объектов в
качественном отношении, но количественно разное для разных объектов. Например, масса
- мера инерции - общее качество всех тел, но её количество, т. е. значение - разное у
каждого тела.
Для количественной оценки физической величины выбирают единицу измерения этой
величины. Единица измерения - это конкретная физическая величина, числовое
значение которой в данной системе единиц принято равным 1.
1. Единицей физической величины называется условно выбранная физическая
величина, имеющая тот же физический смысл, что и рассматриваемая. Системой
единиц, называется совокупность единиц физических величин, относящаяся к
некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми правилами.
Основными единицами данной системы единиц называются единицы нескольких
разнородных физических величин, произвольно выбранные при построении этой
системы. Соответствующие физические величины называются основными
величинами данной системы. Система единиц называется абсолютной, если ее
основными физическими величинами являются длина, масса и время.
Произвольными единицами называются единицы, устанавливаемые через другие
единицы данной системы на основании физических законов, выражающих
взаимосвязь между соответствующими физическими величинами.
2. Размерностью физической величины называется выражение, характеризующее
связь этой физической величины с основными величинами данной системы единиц.
Это выражение представляет собой одночлен в виде произведения символов
основных величин в соответствующих степенях (целых или дробных,
положительных или отрицательных). Физическая величина называется
1
безразмерной величиной, если в выражение ее размерности все основные величины
входят в нулевой степени. Численное значение безразмерной величины не зависит
от выбора системы единиц.
В 1982 году в нашей стране введён государственный стандарт, по которому
исключительному применению подлежит Международная система единиц СИ (Система
Интернациональная). В качестве основных в СИ приняты 7 единиц: метр, килограмм,
секунда, ампер, кельвин, моль, кандела и 2 дополнительные единицы - радиан и
стерадиан.
Единицы остальных физических величин являются производными от основных и
дополнительных, т. е. выражаются через них.
Физика - наука экспериментальная, её законы основываются на фактах, установленных
исключительно опытным путём. Они выражают объективные закономерности,
существующие в природе. Эти законы обычно формулируются в виде количественных
соотношений между физическими величинами, т.е. в виде математических формул.
Основными методами физического исследования являются: наблюдение, гипотеза,
эксперимент,
теория.
Взаимосвязь между ними наглядно даёт рис. 1.
Гипотеза - это научное предположение для объяснения какого-либо факта или явления и
требующее проверки и доказательства.
Теория - это система основных идей, обобщающих экспериментальные данные и
отражающих закономерности природы для целой группы явлений с единой точки зрения.
Важнейшие этапы истории физики.
Взаимовлияние физики и техники.
Роль физики в инженерном образовании.
Физические явления издавна привлекали внимание людей. В период с 6 в. до н. э. по 2 в.
н. э.
1. впервые зародилась идея об атомном строении вещества (Демокрит),
2. установлены простейшие законы статики - правило рычага (Аристотель),
3. открыты законы прямолинейного распространения и отражения света (Евклид),
сформулированы основы гидростатики (закон Архимеда),
4. наблюдались простейшие явления электричества и магнетизма (Фалес Милетский).
Развитие физики как науки началось в 17 в. и связано с именем Галилея, который понял
необходимость математического описания движения. Основное достижение этого периода
- создание Ньютоном классической механики.
Параллельно шло развитие и других направлений физики. Большое значение имело
открытие Гальвани и Вольтой электрического тока, а также открытие явления
электромагнитной индукции Фарадеем. Важнейшее значение для всего естествознания
2
имело открытие Майером, Гельмгольцем и Джоулем закона сохранения энергии,
связывающего воедино все явления природы.
В 1897 г. был открыт электрон, причём выяснилось, что он входит в состав атомов всех
химических элементов. Это указало на сложное строение атомов, которые прежде
считались неделимыми.
Завершением развития классической физики послужило создание Эйнштейном в 1905 г.
специальной теории относительности и базирующейся на этой теории релятивистской
механики.
На рубеже 19 и 20 веков возникла квантовая физика. Её родоначальником был М. Планк,
который в 1900 г. выдвинул идею квантов.
Таким образом, начало 20 в. ознаменовалось коренной ломкой целого ряда привычных
понятий и представлений.
Известно, что развитие науки и техники определяется экономическими потребностями
общества. Технический уровень производства во многом зависит от состояния науки.
История показывает, какое большое значение имели открытия физики для создания и
развития новых отраслей техники. Например, открытие Фарадеем явления
электромагнитной индукции послужило основой всей электротехники и электроники.
Принцип детального равновесия излучения вещества, открытый Эйнштейном, лег в
основу лазерной техники.
В свою очередь, техника оказывает большое влияние на прогресс физики. Например,
стремление иметь более экономичные двигатели стимулировало развитие термодинамики.
Желание получить практически неисчерпаемый источник энергии служит стимулом для
исследований физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза в настоящее время.
Современное состояние физики и техники характеризуется сокращением времени между
физическим открытием и его практическим использованием. Если раньше это время
составляло десятки лет, то, например, после открытия цепной ядерной реакции в 1939 г.
всего через 15 лет в нашей стране была пущена первая в мире атомная промышленная
электростанция.
Физика принадлежит к числу фундаментальных наук, составляющих основу
теоретической подготовки инженеров, без которой невозможна успешная деятельность в
любой отрасли современной техники. Исходя из этого, сформулируем роль курса физики
следующим образом:
1. изучение физики имеет большое значение для формирования научного
мировоззрения о природных явлениях и процессах;
2. физика является базовой дисциплиной для общеинженерных и специальных
дисциплин;
3. инженер должен владеть физикой в такой степени, чтобы активно и со знанием
дела применять достижения науки в своей производственной деятельности.
3