1. Роль физики в познании мира

Экспериментальные

Теоретические

• Наблюдение

• Эксперимент

• Измерение

• Идеализация – мыслительный акт, связанный с образованием абстрактных объектов, не осуществимых в опыте и действительности.

• Моделирование – воспроизведение характеристик какого-либо объекта на другом объекте, специально созданном для их изучения и называемом моделью.

• Выдвижение гипотез

• Аналогия

• Выдвижение идей, принципов

• Дедуктивный вывод

• Мысленный эксперимент – специфический вид умственной деятельности, при которой человек в целях познания оперирует модельными представлениями

• Планирование эксперимента

• Интерпретация результатов

• Обобщение

ФФТ – Классическая механика

Структурные

элементы

Их содержание

Основание

Понятие о механическом движении. Понятие о макроскопическом теле. Материальная точка – основная модель тела. Модели абсолютно твердого тела и сплошной среды. Механическая система. Траектория. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Виды механического движения (модели): прямолинейное, криволинейное, равномерное, неравномерное, равноускоренное, неравноускоренное. Взаимодействие.

Основные физические величины: координата, время, скорость, ускорение, путь, перемещение, масса, момент инерции, энергия, импульс, момент импульса, сила, момент силы, работа, мощность

Ядро

Принципы (идеи) дальнодействия, относительности, суперпозиции сил.

Законы Ньютона. Принцип Даламбера.

Законы взаимодействия (сил): всемирного тяготения, упругой деформации, трения.

Законы сохранения импульса, момента импульса, энергии

Выводы-

следствия

Решение различных задач кинематики, динамики, статики, колебаний. Объяснение явлений природы и техники: например, равновесие тел, действие простых механизмов, закономерностей движения маятника, невесомости, происхождения тормозного пути автомобиля, подъемной силы крыла самолета, расчет траекторий космических аппаратов и др.

Интерпретация

Законы справедливы при скоростях движения макроскопических и микроскопических объектов, много меньших скорости света (ограничение «сверху»).

Ограничение «снизу» – принцип неопределенности Гейзенберга

ФФТ – Молекулярная физика

(Молекулярно-кинетическая теория –– статистический метод изучения тепловых явлений)

Структурные

элементы

Их содержание

Основа-ние

Модель материальных объектов – статистическая система из огромного количества микрочастиц, движущихся по законам классической или квантовой механики.

Микросостояния описываются набором механических величин – координатами, импульсами, энергиями микрочастиц, а макросостояния – термодинамическими параметрами – давлением, температурой, объемом, количеством вещества и т. д.

Идея о вероятностных, случайных значениях механических параметров состояния микрочастиц, возникающих в результате взаимодействия частиц между собой.

Опытные факты: теплообмен между системами, диффузия, броуновское движение, флуктуации и др.

Экспериментальные закономерности – закон Дальтона, газовые законы

Ядро

Основные положения о строении вещества:

• Все тела состоят из частиц, между которыми есть промежутки.

• Эти частицы находятся в непрерывном беспорядочном движении.

• Эти частицы взаимодействуют друг с другом.

Статистическая закономерность в распределении по параметрам микрочастиц, возникающая благодаря огромному числу микрочастиц и отраженная в виде количественной зависимости – макроканонического или распределения Гиббса. Распределения Максвелла, Больцмана. Классические и квантовые статистики (Ферми-Дирака для частиц с полуцелым спином, Бозе-Эйнштейна для частиц с целым спином)

Законы механики. Законы сохранения энергии всей системы, энергии и импульса частиц при их взаимодействии.

Физические константы – постоянная Больцмана, Авогадро, универсальная газовая постоянная

Выводы-

следствия

Расчет макроскопических величин и их зависимостей – получение информации о макросостоянии и его изменении на основе микросостояний системы. Вывод основного уравнения МКТ: Р = nkT

Интерпретация

Законы применимы для огромного числа частиц и не применимы к системам из небольшого числа частиц. Статистические закономерности более фундаментальные, в конечном итоге именно они обусловливают динамические закономерности

ФФТ – Молекулярная физика

(Термодинамика –– феноменологический метод изучения тепловых явлений)

Структурные

элементы

Их содержание

Основание

Понятия: температура, тепловое равновесие, количество теплоты, внутренняя энергия, теплоемкость, энтропия, КПД, замкнутая термодинамическая система.

Явления теплопередачи, работы газа при расширении, изопроцессы.

Идеализированный объект – макроскопическая (термодинамическая) система, находящаяся в равновесном состоянии.

Ядро

Три принципа (начала):

1. Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах.

2. Утверждение о невозможности создания вечного двигателя второго рода, эквивалентное принципу направленности процессов в природе или неубывания энтропии замкнутой системы.

3. Утверждение о невозможности вечного двигателя третьего рода – тепловой машины, у которой температура холодильника равна абсолютному нулю температуры (или «Никакой конечной последовательностью физических процессов нельзя достичь абсолютного нуля температуры»).

Постулаты: 1. (нулевое начало термодинамики) – всякая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние и никогда сама собой из него не выходит.

2. О существовании температуры как особого параметра термодинамических систем.

3. О существовании уравнений состояния термодинамических систем – зависимости внутренних параметров системы от внешних параметров и температуры ( )

Выводы-

следствия

О ходе тепловых процессов, сопровождающихся нагреванием или охлаждением, сжатием и расширением тел, их агрегатными превращениями, совершением механической работы. Объяснение работы тепловых машин, теплового загрязнения среды

Интерпре-тация

Понятия и законы термодинамики получают статистическое истолкование, второй закон термодинамики справедлив для замкнутых систем

ФФТ – Макроскопическая электродинамика

(сюда обычно относят феноменологическую теорию электромагнитного поля, СТО и электронную (неквантовую) теорию)

Структурные

элементы

Их содержание

Основа-

ние

Экспериментальный базис: эмпирические законы – Кулона (1785 г.) – взаимодействие электрических зарядов,

Био-Савара-Лапласа (1820 г.) – .

Эрстеда (1820 г.) – действие тока на магнитную стрелку,

Ампера (1831 г.) – взаимодействие токов.

Принципиально новая (по отношению к механике) модель материи и взаимодействия – материя представлена здесь наряду с веществом непрерывным электромагнитным полем.

Понятия: электрический заряд, электрическое поле, магнитное поле, электромагнитное поле, электромагнитная волна, магнитный полюс. Физические величины: q, , электрическая индукция ( ), магнитная напряженность ( ), сила тока I, напряжение U, сопротивление R, энергия электромагнитного поля W, скорость света c и др.

Ядро

Принцип близкодействия.

Законы сохранения: энергии, импульса, заряда.

Система уравнений Максвелла-Лоренца (четыре качественных положения о связи поля и зарядов):

1. Покоящиеся и движущиеся электрические заряды образуют вокруг себя электрическое поле, силовые линии которого (напряженности) начинаются и оканчиваются на зарядах.

= ρ ( ρ – плотность заряда) (дифференциальная форма)

2. В природе нет магнитных зарядов, магнитные силовые линии замкнуты – магнитное поле – вихревое.

Div = 0

3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитное поле, силовые линии которого (линии магнитной индукции) охватывают линии тока.

rot плотность тока

4. Переменное магнитное поле порождает электрическое поле, силовые линии которого замкнуты и охватывают линии магнитной индукции. Переменное электрическое поле порождает магнитное поле, силовые линии индукции которого замкнуты и охватывают линии напряженности электрического поля.

rot = – 

Фундаментальные константы: скорость света с. Заряд и масса электрона. Электрическая постоянная – . Магнитная постоянная – .

Выводы-

следствия

Теоретические следствия: излучение и распространение электромагнитных волн, природа света, расчет электрических цепей, …

Технические применения: радиосвязь, телевидение, получение, передача и потребление электрической энергии. Оптические приборы. Радиоэлектроника.

ФФТ – Элементы специальной теории относительности

(включена в макроскопическую электродинамику)

Структурные

элементы

Их содержание

Основание

Экспериментальные факты:

Опыты Майкельсона-Морли; опыт Бонч-Бруевича; опыты по измерению скорости света; наблюдения за искривлением «гравитационной линзой» – Солнцем – светового луча, идущего от далекой звезды (опыт проводился во время солнечного затмения в 1919 г. А. Эддингтоном).

Идеализированные объекты: Инерциальные системы отсчета (ИСО); материальная точка; система материальных точек; макроскопическое тело; гравитационное и электромагнитное поля.

Фундаментальные понятия: взаимодействие, движение, четырехмерное пространство-время как единый континуум.

Физические величины: пространственные и временная координаты, время, скорость, масса, полная энергия, энергия покоя, кинетическая энергия, релятивистский импульс, сила, работа, пространственно-временной интервал

Ядро

Постулаты:

1. Принцип относительности А. Эйнштейна: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.

2. Скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям в ИСО и не зависит от скорости движения источника или наблюдателя.

Законы: Преобразования Лоренца.

Закон сохранения релятивистского импульса для замкнутой системы;

Основной закон релятивистской механики: , или .

Закон взаимосвязи массы и энергии:

Закон сохранения массы и энергии: энергия покоя + кинетическая энергия + потенциальная энергия взаимодействия частиц = const (для замкнутой системы).

Принцип (идея) близкодействия.

Принцип суперпозиции сил.

Фундаментальные постоянные: скорость света в вакууме; заряд и масса покоя электрона; электрическая и магнитная постоянные

Выводы-

следствия

Теоретические следствия: относительность одновременности, «эффект замедления времени» ; относительность расстояний – релятивистский «эффект уменьшения длины в направлении движения» l = l₀  ; релятивистская формула сложения скоростей υ_рез =  .

Расчет полной, кинетической и энергии покоя объекта:

Е₀ = mc².

Формула связи энергии и импульса:

E² = (mc²)² + (pc)²,

Для безмассовых частиц – E = pc.

Технические применения:

изучение движения быстрых частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций, движений элементарных частиц в атмосфере Земли, доступ практически к неисчерпаемым источникам энергии ...

Предсказание нового: объяснение свойств одного из самых необычных астрономических объектов – «черной дыры», расчет радиуса Шварцшильда; искривление траектории светового луча при прохождении его вблизи «гравитационных линз»; способ определения массы фотонов

Интерпретация

Релятивистская механика изучает движения макроскопических тел и элементарных частиц, движущихся со скоростями, сравнимыми со скоростью распространения света в вакууме (υ ≈ с).

ФФТ – Квантовая физика

Структурные

элементы

Их содержание

Основание

Экспериментальный базис – опыты, выявляющие дискретный характер энергии атомов (Франка и Герца), данные о линейчатых спектрах, опыты по дифракции электронов (Девиссона-Джермера, Томсона-Тартаковского).

Модель материальных объектов – микрочастица (или система микрочастиц), отличающаяся от материальной точки классической механики неопределенностью положения в пространстве, обусловленной квантовым характером взаимодействия: при справедливости соотношения движение по траектории не имеет смысла).

Основные понятия: комплексная функция состояния , квадрат модуля которой определяет плотность вероятности положения частицы в пространстве – . Движение в микромире описывается как перераспределение плотности вероятности

Ядро

Дифференциальное уравнение Шредингера, позволяющее по заданному силовому полю (взаимодействию между микрочастицами) определить функцию состояния:

В нерелятивистской области индивидуальность частиц при взаимодействии сохраняется, нет взаимных превращений частиц, поэтому выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, четности и числа частиц.

Постулаты де Бройля. Дуализм свойств частиц.

Фундаментальная постоянная – постоянная Планка

Выводы-

следствия

Нахождение функций состояния и его параметров для частицы и системы по заданному взаимодействию.

По функции состояния определяется пространственное распределение микрочастиц и значения их энергий, импульсов, моментов импульса.

Рассмотрение частных случаев, например, для постоянных сил вывод о стационарных состояниях атома и объяснение стабильности состояния окружающего нас вещества.

Уравнение Шредингера для переменных сил приводит к переходам между стационарными состояниями – квантовым скачкам и дает возможность рассчитать вероятность квантовых переходов (объяснение излучения и поглощения света атомами).

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Объяснение эффекта Комптона. Объяснение процесса деления атомных ядер, цепной ядерной реакции, существования изотопов, радиоактивных элементов, процессов ядерного синтеза.

Практические применения. Квантовая электроника и оптика: действие света, лазеры, фотоэлементы, полупроводники. Ядерная энергетика: радиоизотопы, ядерное оружие, получение новых радиоактивных элементов и др.

Интерпретация

Квантовой электродинамикой является отрасль квантовой физики, предметной областью которой являются фотоны, электроны, позитроны и т. д., которая принимает идею близкодействия, но считает электромагнитное поле не непрерывным, а состоящим из дискретных квантов. Механизм взаимодействия – обмен частицами – квантами поля. Релятивистская форма уравнения Шредингера (для электронов и позитронов) – уравнение Дирака. При этом стационарными являются лишь состояния свободных частиц, а взаимодействие приводит к изменению этих состояний и взаимопревращению частиц