Введение в курс общей физики

Введение в курс общей физики

Слово физика происходит от греческого physis – природа. Таким образом, физика – одна из основных естественных наук, в которой изучаются законы неживой природы, наука о природе.

Как науку, физику можно рассматривать с двух сторон:

1. Физика – методологический фундамент философии

2. Физика – основа всех технических наук.

Если обратиться к истории физики, то еще в 6-2 веке до н.э. впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), были разработаны Геоцентрическая система мира (Птолемей), законы статики (рычаг), гидростатики (законы Архимеда), появились представления о прямолинейном распространении света, разрабатывались законы электричества и магнетизма. Итог накопленным знаниям был подведен в 4 веке Аристотелем. Он не считал опыт главным, отдавал предпочтение умозаключениям. В средние века учение Аристотеля было канонизировано церковью, что надолго затормозило развитие науки.

Началось современное развитие физики в 17 веке и связано с именем итальянского ученого Галилея, который понял необходимость математического описания движения. На основе работ ученика Галилея Торричелли, английского ученого Бойля и французского ученого Мариотта, англичанина Снелля и француза Декарта был сформулирован  закон преломления света, исходя из которого был создан микроскоп.

Основным учением 17 века была классическая механика Ньютона. Голландский ученый Гюйгенс и немецкий ученый Лейбниц сформулировали законы сохранения количества движения, Гюйгенс изучал физический маятник. Началось развитие физической акустики, возрос интерес к изучению оптики (итальянец Гримальди изучал дифракцию света, Ньютон – его дисперсность, Рёмер измерил скорость света, американец Франклин сформулировал закон сохранения электрического заряда).

Кроме того, такие ученые как Ломоносов, Бойль, Гук, Бернулли изучали тепловые явления.

Рекомендуемые материалы

В 19 веке английский ученый Юнг и французский ученый Френель успешно работали над вопросом интерференции и дифракции света. Итальянские ученые Гальвани и Вольт исследовали электрический ток и создали первые гальванические элементы. Фарадей изучал химическое действие тока, Петров – электрическую дугу. Немецкий ученый Майер и Гельмгольц разработали закон сохранения энергии. В конце 19 века англичанином Томпсоном был открыт электрон, что послужило толчком к развитию квантовой теории.

Однако несмотря на это, существуют основные нерешенные проблемы физики:

1. Физика элементарных частиц

2. Астрофизика – развитие Вселенной  

3. Физика ядра

4. Квантовая электроника

5. Физика твердого тела (повышение прочности, сверхпроводимость)

6. Физика плазмы

а) в плазменном состоянии находится подавляющая часть вещества Вселенной

б) именно в плазме возможно осуществление управления термоядерным синтезом. Главная задача – разработка эффективных методов ее разогрева до 10⁹К и удержание ее в этом состоянии.

В настоящее время известно два вида неживой материи: предметы и поле.

Материя в форме предметов, вещей существует в виде материальных тел, которые вместе с полями составляют физические объекты. Материальные тела делят на макро- и микроскопические.

Макроскопические тела – такие, которые мы можем ощущать непосредственно через наши ощущения. Они складываются из больших количеств микроскопических тел, за которыми можно наблюдать только каким-либо косвенным образом.

Материя всегда существует во времени и пространстве. Это ее атрибуты. Одна из основных особенностей материи – ее изменчивость, движение.

Движение – это всяческие изменения, которые осуществляются с материей (в широком смысле). Причина движения – взаимосвязь, взаимодействие материальных объектов.

Взаимодействия:

1) электромагнитные                   между макро и микро

2) гравитационные                                     телами

3) сильные                                    между микроскопическими

4) слабые                                                     телами

      Взаимодействия осуществляются посредством поля.

      Вывод:

а) физика изучает материю, ее свойства, движение

б) предмет изучения физики – любые изменения физических объектов, которые мы изучаем как физические явления.

Методы изучения физических явлений.

Пусть мы имеем явление. Как мы можем его изучить?

                             Физическое                         Наблюдение                          Опыт

                                явление 

   Новые                        Физическая                       Закон                          Измерение

  явления                          теория

    Наблюдение – поэтапное изучение физического явления.

    Опыт:   а) наблюдаем явление в контролируемых условиях;

                 б) имеем возможность проделать его несколько раз.

В ходе наблюдения мы проводим измерения физических величин (числами). Физическая величина отражает какие-то свойства физического объекта. Если связи повторяются для многих объектов, это наблюдается как закон. Система основных законов, обобщающих опытные результаты и факты – физическая теория. Пользуясь ею, мы можем описать какие-нибудь явления и предсказать новые физические явления. При образовании теории существующие физические объекты заменяются их моделями. Образование модели – задача теоретической физики.

Модель – какой-то образ, в котором отражаются наиболее существенные особенности явлений, объектов. При этом часть реальных особенностей опускается. Существенные особенности для каждого объекта можно найти только через опыт. Существенные особенности для одного круга явлений могут не быть существенными для другого.

Все теории приблизительные, потому что:

а)во всякой теории учитываются не все реальные особенности физических явлений;

б)каждая теория имеет ограниченную область применения, которая ограничивается моделями, которыми пользуются при образовании теории.

Могут быть найдены явления, которые эта теория не объясняет. Тогда образуется, разрабатывается новая теория.

Таким образом, можно заключить, что явления, опыт, закон изучает общая физика; модель, новые явления – теоретическая физика; закон, теорию – математика.

Вывод:

1) основным методом физики является опытное изучение явлений

2) опыт – основа физической науки, критерий ее истинности.

Измерение физических величин.

Системы единиц.

Основная задача любого опыта – измерение и установление связи между величинами.

Измерение физической величины заключается в сравнении этой величины с некоторой эталонной той же природы.

Измерения:

а) прямые (непосредственно сравниваются с эталоном)

б) косвенные (измеряется не сама величина, а некоторая другая, и с помощью некоторой формулы, связывающей физические величины, определяется искомая величина: х, у; у=f(х)).

Основной метод измерений в физике – косвенный. Необходимые условия для выполнения измерения:

1) наличие эталона

2) знание способа сравнения с эталоном

3) способ сложения эталонов

Главное – выбор эталона. Он может выбираться произвольно. Для каждой физической величины можно ввести свой эталон. На практике произвольно выбирают эталоны лишь для нескольких величин и их называют основными или эталонными.

Ф_осн.=А^.Ф_эт.

                                          физ.              некоторое      величина

                                   величина             число             эталона

Единицы остальных физических величин устанавливаются с помощью формул, связывающих данную с эталонными. Эти величины – производные (вторичные). Для их единиц, часто, но не всегда, вводят специальные названия:

                                                                                                                               _ед

Ф_{производная}             =А^.Ф_пр

                                                                            ^{эталонной величины}

                                                                        единица производной

                                                                        (является функцией физ.величины)

     _ед

Ф_пр=f(Ф_эт)          размерность физической величины

Дж=кг^.м²/с²  (размерность работы)

Функция, устанавливающая связь между единицей производной физической величины и эталоном физической величины – размерность.

[Ф_пр]=f[Ф_эт]; [Ф_осн]= [Ф_эт]

Вывод:

Выбранные эталоны основных единиц в совокупности с формулами, которые определяют производные единицы через основные, образуют систему единиц.

Существует множество различных систем единиц. В настоящее время международной системой единиц является система СИ. На практике есть и другие, например CGC(см, г, с).

В теоретической физике часто употребляются физические системы единиц, где с (скорость света) равна 1 (безразмерная); ħ=1.

В системе СИ 7 основных единиц:

1) метр                       м

Ещё посмотрите лекцию "Доходная часть бюджета" по этой теме.

2) килограмм             кг 

3) секунда                    с

4) кельвин                    К

5) ампер                       А

6) кандела                    кд (сила света)

7) киломоль                 кМ