А.Н. Матвеев - Механика и теория относительности, страница 3

В приложениях содержатся необходимые справочные данные. Общеизвестно, что теоретические знания без умения применять их для решения практических задач бесполезньь Поэтому неотьемлемой частью изучения курса общей физики является решение задач, В конце книги после изложения теоретического материала приводятся задачи для самостоятельного решения и ответы на пих. Глава 1 ВВЕДЕНИЕ 1. Задачи и методы физики Задачи физики. Встречаясь в повседневной жизни и практической деятельности с различными физическими объектами, явлениями, ситуациями и связями между ними, человек создает в своем сознании модель, которая состоит из образов этих объектов, явлений, ситуаций и связей между ними, а также правил оперирования с ними. Модели физической действительности начали создаваться в сознании человека вместе с возникновением самого сознания.

Поэтому нет ничего удивительного в том, что некоторые элементы этих моделей (например, понятия пространства и времени) столь глубоко укоренились в нашем сознании, что ряд философов считали нх формами сознания, а не отражением в сознании элементов внешнего мира. При изучении физики как науки весьма важно всегда иметь в виду модельный характер ее построений. Задача физики состоит в том, чтобы создать в нашем сознании такую картину физического мира, которая наиболее полно 1.

Задачи и методы физики 2. Физические величины и их измерение 3. Об опредепении понятий и величин в физике 4. Системы единиц физических величин Ф изическне модели являются математическими, по не математика является их основой. Количественные соотношения между физическими величинами выясняются в результате измерений, наблюдений и экспериментальных исследований и лишь выражаются на языке математики. Однако другого языка для построения физических теорий не существует. Глава 1. ВВЕДЕНИЕ отражает свойства мира и обеспечивает такие соотношения мен<ду элементами модели, какие существуют между элементами внешнего мира.

Абстракции и ограниченность моделей. В реальном физическом мире связи между явлениями и предметами столь многообразны, что охватить их все невозможно не только в практическом, но и в теоретическом принципиальном смысле. Последнее обстоятельство обусловлено неисчерпаемостью свойств материи. Поэтому при создании моделей принимаются во внимание только существенные для данного круга явлений свойства и связи. Лишь благодаря такому ограничению удается создать модель, которую возможно охватить мысленным взором.

Задача отбрасывания всего несущественного для данного явления выступает в качестве важнейшего элемента физического исследования. Например, при изучении законов движения планет вокруг Солнца нет необходимости принимать во внимание давление солнечных лучей и солнечного ветра на планеты, а при рассмотрении поведения хвостов комет их учет является необходимым. Известны многочисленные факты неудачи научного поиска из-за того, что исследователи пытались учесть факторы, которые для исследуемого явления не имеют значения.

Учет лишь существенных факторов сводится к абстрагированию от реальной ситуации и созданию модели в рамках принятых абстракций. Используемые модели являются приближенными моделями, и их справедливость может быть гарантирована лишь в пределах применимости употребляемых абстракций. Вне этих пределов модель может стать неприменимой и даже бессмысленной. Поэтому в физическом исследовании весьма важно иметь на каждом этапе ясное понимание, почему считается применимой именно та модель, которая используется. Здесь существенно подчеркнуть, что один и тот же физический объект в различных ситуациях может быть представлен различными моделями.

Например, при рассмотрении движения Земли вокруг Солнца можно в качестве модели принять модель материальной точки с массой Зел<ли, расположенной в ее центре. Эта же модель Земли применима в первом приближении при рассмотрении полетов спутников вокруг Земли на достаточно большом расстоянии от нее. Однако для более точного описания движения спутников такая модель неприменима, поскольку Земля пе является строго шаром и ее масса неравномерно распределена по объему, благодаря чему сила тяготения, действующая на спутник, не сводится к силе тяготения материальной точки, расположенной в центре Земли.

Кроме того, модель тяготеющей материальной точки допускает для спутников орбиты, проходящие от центра Земли на расстояниях, меньших ее радиуса, что невозможно ввиду неизбен<ного столкновения с поверхностью Земли. 1. Задачи и методы физики Методы физики.

Поскольку задача физики состоит в создании в нашем сознании модели внешнего мира, адекватно отражающей его строение и свойства, она может быть выполнена лишь в процессе практической деятельности человека по познанию и преобразованию мира. Человек от рождения не имеет в сознании никаких элементов модели внешнего мира и правил оперирования с ними. Они выработаны человечеством в результате всего исторического развития. Индивидуальный человек делает их элементами своего сознания посредством собственной деятельности и процесса обучения.

Научные исследования постоянно расширяют и углубляют физическую модель мира. Это может быть сделано лишь в результате эксперимента и наблюдения. Поэтому физика является наукой экспериментальной. Ее модели должны адекватно отражать свойства, обнаруживаемые в наблюдении и экспериментах. С другой стороны, границы применимости моделей также определяются экспериментом.

Следовательно„ экспериментальный метод физики состоит в следующем: на основе эксперимента и наблюдений создается модель, в рамках которой делаются предсказания о явлениях, проверяемых в свою очередь в экспериментах и наблюдениях", в результате этого уточняется модель, делаются новые предсказания и т.

д. Наиболее существенный прогресс в физике происходит в двух случаях: во-первых, когда предсказания модели не подтверждаются экспериментом; во-вторых, когда открывается новый круг физических явлений, для которого нет моделей вообще. В первом случае приходится исправлять модель, а иногда заменять новой. Если замена модели связана с пересмотром основных представлений, то говорят о революции в физике.

Во втором случае создается новый раздел физики. Примером первого случая, когда пришлось пересматривать основные представления ньютоновской модели пространства и времени, является создание специальной теории относительности, примером второго случая — создание квантовой механики как нового раздела физики. В обоих случаях речь идет не об опровер>кении существующих моделей, а об установлении границ их применимости и разработке новых моделей, особенности которых проявляются вне области применимости старых моделей.

Экспериментальный метод физики требует, чтобы всем представлениям, понятиям и другим элементам, составляющим физическую модель, было дано однозначное истолкование. Необходимо, чтобы модель не содержала элементов, для которых не указано однозначного истолкования в виде соотношений либо с объектами, процессамн, ситуациями и т. д.

реального мира, либо с другими элементами модели, которые уже определены. Глава 1. ВВЕДЕНИЕ Это обстоятельство имеет большое значение для изучения физики. Необходимо заботиться, чтобы каждый элемент изучаемой модели имел четко определенное содержание и ясно сформулированное соотношение с элементом реального физического мира. 2. Физические величины и их измерение Различие и сравнение. Первым шагом в познапии является установление различия между объектами физической действительности. Благодаря этому удается идентифицировать объекты изучения.

После этого возникает задача сравнения. Но сравнение возможно лишь на базе общности, Поэтому должно быть найдено общее в различном. Общее и различное выступают здесь в своем диалектическом единстве. Возьмем, например, арбуз и яблоко. Это различные объекты по величине, цвету, запаху и другим свойствам. Сравнение арбуза и яблока возможно по нечто такому, что является у них общим.

Например, они занимают определенный объем в пространстве н их можно сравнивать по этому признаку. Результат сравнения выражается, например, словами «арбуз больше яблока». Попытка сравнить их по цвету более трудна. Лишь воспользовавшись возможностью представить произвольный цвет в виде смеси трех цветов в определенной пропорции, можно дать разумное и однозначное сравнение цветов арбуза и яблока. Сравнить же предметы по запаху в настоящее время не представляется возможным, так как наукой еще не установлена природа запаха и неизвестно число измерений запаха, т.

е. минимальное число различных запахов, комбинацией которых в соответствующих пропорциях можно воспроизвести любой запах. Поэтому сравнивать запахи можно сейчас лишь в субъективном смысле, т. е. пе в смысле отношения между предметами, а в смысле отношения предметов к нашим органам чувств. Можно, например, сказать, что запах яблока более приятен, чем запах лимона (или, возможно, наоборот). Сравнение и измерение. Интуитивно достаточно ясно, что означает выражение «арбуз больше яблока». Это означает возможность лишь из части материала арбуза составить тело, совпадающее по форме и размеру с яблоком, и невозможность обратной процедуры. Такое сравнение носит качественный характер.

Ово несет в себе мало информации. Например, может быть известно, что данный арбуз болыпе некоторого другого яблока, но отсюда нельзя извлечь никакой информации о том, какое из двух яблок больше. Поэтому возникает задача выражать результат сравнения арбуза с каждым из яблок в такой форме, чтобы можно было сделать заключение о результатах сравнения яблок между собой. Это достигается процедурой измерения, в результате которой рассматриваемое свойство характеризуется числом.

2. Физические величины и их измерение 19 Измерение. Как уже подчеркивалось, речь идет о сравнении одинаковых свойств, качеств в различных предметах, явлениях, процессах и т. д. Например, наиболее общими свойствами материальных тел является их протяженность, наиболее общим свойством процессов — их длительность. Для конкретности рассмотрим одно из этих свойств, например протяженность. При этом нет необходимости входить во все детали теории измерений, а достаточно отметить лишь некоторые наиболее существенные моменты. Для сокращения выражений будем рассматривать протяженность в одном направлении, т.