11

Лекционный фонд кафедры экспериментальной физики

Фмф сПбГпу

Шмарцевские лекции

Механика

Лекции 1-5

Санкт-Петербург 2002

1Введение в физику (определения и особенности)

1. Определение физики

Физика – это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы ее движения.

Понятия и законы физики лежат в основе всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений.

Поскольку во всех явлениях природы присутствует материя и имеется движение, физика по существу своему материалистична и является наиболее фундаментальной наукой.

2. Основные особенности физики

2.1. Нечеткость границ, отделяющих физику от других наук

а) Физика и химия

Использование превращения элементов для так называемого трансмутационного легирования кремния:

₁₄Si²⁰ + ₀n¹  ₁₅P³⁰ + e^-

В 1908 году известный физик проф. Э. Резерфорд (Манчестер) был удостоен Нобелевской премии по химии – за исследования по распаду элементов и по химии радиоактивных веществ. В своей Нобелевской лекции 10 декабря того же года Резерфорд сказал: «Я имею дело со многими разнообразными превращениями, которые изучал в разные годы жизни, но самое замечательное превращение заключалось в том, что я в один миг превратился из физика в химика».

б) Физика и биология

Воздействие физических полей (например, невесомости или постоянного магнитного поля) на физические объекты. Изучение биологических объектов физическими методами.

в) Физика и техника

г) Физика и медицина и т.д.

Причина нерезкости границ – основополагающий и всепроникающий характер физики.

2.2. Резкая дифференциация физики

Наряду с широкими обобщениями, для физики характерна резкая дифференциация, возникновение отдельных чрезвычайно узких областей физики из-за углубления знаний, роста объема информации, детализации, более глубокого проникновения в сущность физических задач, проблем.

РИС. 1-1

1 - Физика твердого тела

(полупроводники 1, диэлектрики 2, металлы 3)

2 - Астрофизика, 3 -Ядерная физика и т. д.

Диалектическая особенность такого разделения физики на узкие области: более глубокое проникновение в суть явлений выявляет глубокие связи между отдельными областями физики, их взаимную связь и внутреннее единство.

2.3. Физика –экспериментальная наука

Законы физики базируются на фактах, установленных опытным путем.

Эксперимент  теория  эксперимент ……= прогресс.

Эксперимент и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.

4. Физика – это основа техники

Ядерная физика и ядерная техника, ядерная энергетика. Физика твердого тела и полупроводниковая микро - и наноэлектроника.

3. Метод познания в физике

Существует небольшое число фундаментальных законов, достаточно общих, охватывающих все разделы физики. Какие именно законы считаются наиболее фундаментальными - это вопрос, который еще можно долго обсуждать. Скорее всего, таковыми являются следующие законы.

3.1. Принцип соответствия (Нильс Бор, 1923 год).

Любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и (или) на более широкую область применимости, чем старая, должна включать в себя последнюю как частный случай.

Пример

Механика специальной теории относительности (СТО) приводит к выводу о том, что линейный масштаб, имеющий в состоянии покоя длину , при движении со скоростью сокращается:

( - скорость света в вакууме).

Это явление лоренцового сокращения длины. Однако, если скорость мала, , то

и .

Механика специальной теории относительности совпадает с классической механикой в пределе скоростей движения, малых по сравнению со скоростью света в вакууме.

3.2. Законы сохранения

а) Закон сохранения энергии

Полная энергия замкнутой (изолированной) системы постоянна: (суммируются энергии всех частей системы).

В силу эквивалентности массы и энергии (E=mc² ) из закона сохранения энергии следует закон сохранения массы (вещества), числа частиц, заряда и т.п.

б) Закон сохранения импульса

Полный импульс замкнутой системы сохраняется: (суммируются импульсы всех частей системы).

Из закона сохранения импульса следует 3-ий закон Ньютона:

- сумма всех сил в замкнутой системе равна нулю.

Если действуют лишь две силы , то - сила действия равна силе противодействия.

В физике разрешается все, что не противоречит принципу соответствия и законам сохранения.