Глава 1 Физика и астрономия – науки о природе

§ 1. Физика – наука о природе

Природа, окружающая нас, постоянно изменяется. Многообразные изменения в природе, называют природными явлениями. Эти явления изучает физика.

Слово «физика» было введено древнегреческим ученым Аристотелем (384-322 гг. до н.э.). По-гречески слово «physis» означает «природа». Научное содержание этого слова обогатил и расширил наш соотечественник Аль- Фараби.

А ристотель (384-322 до н.э.). Древнегреческий философ и ученый-энциклопедист. Родился в Стагире. В 367 г. отправился в Афины и, став учеником Платона, в течение двадцати лет был учеником платоновской академии. В 335 г. основал Ликей. В 343 году был приглашен Филиппом (царем Македонии) воспитывать его сына Александра. Основоположник формальной логики. Создал понятийный аппарат, который до сих пор пронизывает философский лексикон и сам стиль научного мышления. Был сторонником умеренной демократии. Подверг критике платоновскую теорию бестелесных форм ("идей"), однако полностью преодолеть платоновский идеализм в своей философии не смог. Умер в Халкиде на Эвбее, куда бежал от преследования по обвинению в преступлении против религии.

Рис.1.1

А ль-Фараби (Мухаммед ибн Узлаг Тархани) (870-950г.г.) - гений, мыслитель, ученый, признан вторым авторитетом во всемирной культуре после Аристотеля. Начальное образование получил в Отраре на кыпчакском языке (древний казахский язык), в Багдаде изучил арабский язык. Хорошо владел и писал на тюркском, персидском, арабском языках. Также владел греческим, латинским, санскритским языками. До нынешнего поколения дошли около 50 трудов Абу Насра Аль-Фараби. Среди крупнейших сочинений, представляющих научную ценность, «Астрология», «Китаб аль-мусика аль-кабир». Труды Абу Насра Аль-Фараби охватывают все сферы науки, их горизонты беспредельны. Аль-Фараби признан во всем мире, как выдающийся мыслитель древности. Его философские, мировоззренческие идеи лежат в основе современной физики, астрономии, лингвистики, истории, философии, логики, математики, естествознания. Аль-Фараби был назван Аристотелем Востока и стал одной из ярких звезд мировой культуры.

рис.1.2

Изучая явления природы и устанавливая законы их протекания, люди стали использовать их для облегчения своей жизнедеятельности. По мере накопления знаний о природе и открытия новых явлений стали появляться новые науки, которые постепенно стали отделяться от физики.

Науки, изучающие явления природы, стали называть естественными науками. Первой из физики отделилась и превратилась в самостоятельную науку химия. К естественным наукам, кроме физики, астрономии и химии относят биологию, географию.

Астрономия – это наука о строении, движении и эволюции небесных тел, география – это наука о Земле, биология – это наука о растительном и животном мире.

В повседневной жизни человека окружают различные тела: он читает книги, делает записи в тетрадях, сидит на стуле, кушает за столом, используя ложки, вилки, пьет чай из пиал, живя в домах, летает на самолетах, ездит на машинах и поездах, которые состоят из различных деталей.

Предметы, окружающие нас называют физическими телами.

Следовательно, книга, камень, дерево, автомобиль, капля воды, кусок соли, песчинка, воздух в комнате, озеро, Луна, Солнце и звезды являются физическими телами.

Все физические тела состоят из различных веществ. Например, стол из древесины, проволока из меди, стакан из стекла, лист тетради из бумаги и т.д.

Все, что существует вокруг нас, называют материей, поэтому окружающий нас мир называют материальным.

Материя есть объективная реальность, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им.

Материя действует на окружающие нас тела и живые организмы. Но не всякое действие материи может ощущаться органами чувств человека. Например, с помощью органов чувств мы можем отличить горячее от холодного, сладкое от соленого, светлое от темного. Из курса географии нам известно, что стрелка компаса всегда ориентируется строго на север и юг. Вы знаете, что это делает магнитное поле Земли. Но человеческий организм не ощущает магнитное поле. Следовательно, действие материи можно обнаружить и с помощью приборов.

Материя обладает следующими свойствами: она неуничтожима и всегда находится в движении, изменяющимся со временем.

Материя может существовать в двух формах:

1. Вещественная форма материи (вещество), которую мы можем воспринимать с помощью органов чувств. Веществом называют материю, из которой состоят физические тела. Вещество бывает разным по своим физическим и химическим свойствам (например, олово, железо, золото, вода, воздух и т.д.). Вещество ограничивается границами определенного объема. Вещество дробимо, т.е. его можно разделить на более мелкие части.

2. Полевая форма материи (поле), которая тоже существует реально, но не регистрируется нашими органами чувств. Полем называют особый вид материи, непрерывно заполняющий все пространство. Поле – это такой вид материи, который передает действие одних тел на другие.

Среди естественных наук физика играет ведущую роль, так как она изучает наиболее общие свойства материи, ее взаимные превращения и простейшие формы движения материи.

Многообразие природных явлений можно свести к физическим, астрономическим и химическим явлениям. Такие явления как плавление металлов, кипение воды, полет самолета, падение камня, звучание скрипки, молния, дождь, радуга относятся к физическим явлениям.

Рис. 1.3

При физических явлениях вещество, из которого состоит тело, не изменяется. Например, и при полете камня и при его падении на землю вещество, из которого он состоит, не изменяется; или при ударе молотком по куску меди и при его плавлении вещество (медь) не изменяется – меняется только его форма или состояние.

Рис.1.4

Солнечные затмения, движение Луны вокруг Земли, падение метеоритов, появление комет – это примеры астрономических явлений.

Сжигание угля, изготовление пластмасс, получение металлов из руды, образование ржавчины, получение фотографий относятся к химическим явлениям. В ходе химических явлений происходит изменение самого вещества.

Физика изучает механические, тепловые, электрические, магнитные, световые, явления, а так же явления, происходящие с атомами и их ядрами. Для изучения каждого из этих явлений в физике отводятся целые разделы.

Для того, чтобы изучить физическое явление в физике используются разные методы:

1. Научное наблюдение. Под ним мы понимаем изучение явлений в естественных условиях, без всякого вмешательства в его ход. В ходе наблюдений выявляются типичные особенности протекания явления и могут быть установлены причины его возникновения. В ходе научного наблюдения мы не можем изменить условия протекания процесса. Например, наблюдая за образованием росы (рис.1.5), установили, что наиболее обильно роса выпадает после жаркого дня и прохладной ночи. Откуда же появились

капельки воды? Объяснить это смогли не сразу, а после проведения экспериментов. Рис. 1.5

2. Опыт. Под опытом (экспериментом) понимают искусственное воспроизведение исследуемых явлений. С помощью опыта мы можем менять условия протекания явления. И в ходе опыта и в ходе наблюдения определяются закономерности протекания явления и причинная связь между явлениями. Наблюдения и опыт сопровождаются измерениями. Например, если охладить металлический предмет в холодильнике и вытащить его в теплую комнату, то легко обнаружить появление росы, на этом предмете (рис.1.6). В прохладной комнате, мы обнаружим, что роса на предмете выпадает в меньшем количестве, а в холодной и вовсе не будет выпадать. То есть, меняя условия опыта, мы получали разное количество росы.

Рис. 1.6

3 .Гипотеза. Закономерности, установленные в ходе наблюдений и опытов, не являются достаточными для того, чтобы объяснить физическую природу явлений. Поэтому выдвигается научное предположение, которое называют гипотезой. С помощью гипотезы можно объяснить многие явления. Пользуясь ею, можно предсказать новые, еще неизвестные явления. Если новые опыты противоречат выдвинутой гипотезе, то она признается ошибочной и выдвигается новая. Если же опытная проверка гипотезы подтверждает ее, то она становится физической теорией.

Например, попытаемся объяснить образование росы в комнате. Капелька росы – это вода, но в малом количестве. Откуда же она появляется на металлическом предмете или на листьях растений? Выдвигаем гипотезу: в воздухе имеется вода, но в каком-то другом состоянии, не видимом нами. Как это проверить. В физике критерием истины является опыт. Поместим в теплую комнату сухую морозильную камеру и включим ее, оставив открытой дверцу камеры. Воздух, попадающий в камеру, будет охлаждаться, и камера начнет запотевать. Затем на стенках камеры появятся капельки росы, которые начнут замерзать, превращаясь в лед. Опыт подтвердил, что в воздухе действительно находится вода, но в другом состоянии. Это состояние называют водяным паром. А для того, чтобы объяснить явления превращения пара в жидкость и отвердевания жидкости, необходимо установить их законы. Сейчас мы с вами это еще сделать не можем, так как вы только начали изучать физику. Но по мере накопления физических знаний мы сможем объяснить эти явления.

В ходе изучения физических явлений для их объяснения выдвигались разные гипотезы, многие из которых, как показало время, оказались ошибочными. Примерами таких гипотез являются:

1. Ложное утверждение Аристотеля о законе движения тел: для того чтобы тело двигалось на него все время должно действовать другое тело. Это следовало из повседневной жизни. Так, например, телега начинает двигаться только тогда, когда ее будет тянуть лошадь.

2. Второе утверждение Аристотеля: тяжелые тела падают на землю быстрее, чем легкие.

Ошибочность данных гипотез была доказана опытами итальянского физика Галилео Галилея и английского физика Исаака Ньютона.

3. В 18 веке считалось, что нагревание и охлаждение тел осуществляется с помощью особого вещества «теплорода». Но это вещество не было обнаружено, и эту идею признали ошибочной.

Постоянно существующая в природе взаимосвязь и взаимозависимость между физическими явлениями, называют физическим законом.

Физические законы управляют физическими явлениями независимо от человеческого сознания.

Физический закон можно записать в виде математической формулы, которая будет называться математической записью физического закона.

Физика и техника. Физика и техника тесно связаны друг с другом. Так, например, работа станков, машин, механизмов, компьютеров основана на достижениях физики. Все эти устройства работают, используя законы физики.

Мечта человека о ковре-самолете, сапогах-скороходах, волшебном зеркальце, которое может показать то, что происходит в других местах, сейчас воплотилась в реальность, благодаря достижениям физики. Вспомните о самолетах и вертолетах переносящих человека на любые расстояния и достаточно быстро. Вспомните о машинах, кораблях и поездах, которые вас могут доставить в любую точку земного шара. Вспомните о радио и телевизорах, которые позволяют нам виртуально присутствовать в разных точках земного шара и даже космического пространства.

Все это стало реальным благодаря кропотливому труду ученых-физиков, конструкторов, техников.

Новые открытия в физике приводят к совершенствованию существующей техники или появлению новой. Развитие же техники, в свою очередь, ведет к дальнейшему развитию науки.

Так, например, открытие радиоволн и изучение их свойств позволило создать различные радиотехнические устройства, которые используются в радиосвязи, радионавигации, радиолокации, телевидении.

Развитие этих областей техники способствовало дальнейшему изучению электрических явлений, что в свою очередь привело к изобретению калькуляторов, компьютеров, созданию сотовой связи, созданию цифровой фотографии и т.д.

Развитие физики привело к появлению таких отраслей как робототехника и космонавтика. Теперь человечество имеет возможность «бороздить» просторы Солнечной системы, изучая другие планеты. Космические корабли, управляемые с Земли, прилетают к другим планетам, фотографируют их поверхность. Зонды-роботы, опущенные на эти планеты, исследуют их поверхность и атмосферу.

Нам необходимо помнить, что за достижениями техники и благами цивилизации, стоит труд конкретных людей – ученых, конструкторов, техников, инженеров и простых рабочих. Когда-нибудь и ваш труд будет принесен во благо цивилизации. Для этого необходимо учиться, учиться и еще раз учиться. Учиться тяжело, но знания, приобретенные в процессе учебы, станут фундаментом для вашей дальнейшей достойной жизни.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие науки называются естественными науками?

2. Что вы понимаете под физическим телом?

3. Из чего состоят физические тела?

4. Что называется материей?

5. Какие свойства материи вы знаете?

6. Что такое вещество и что такое поле?

7. Что изучает физика? Как она это делает?

8. Что называется наблюдением, а что экспериментом? Чем они отличаются друг от друга, а чем похожи?

9. Что называют научной гипотезой?

10. Когда гипотеза становится физической теорией?

11. Что вы понимаете под физическим законом?

12. Где используют физические явления и законы?

13. В повседневной жизни вы часто встречаетесь со световыми явлениями. Какими способами вы можете установить законы распространения света? Попробуйте установить эти законы.