Фізика (Чоплан П.П

Р е ц е н з е н т и : д-р фіз.-мат. наук, проф. З.В. Стасюк (Львівський національний університет ім. Івана Франка), канд. фіз.-мат. наук, доц. В. М. Кланічка (Прикарпатський державний університет ім. Василя Стефаника)

Редакція літератури з економіки і фундаментальних наук Редактор JI. М. Оріиіич

Чолпан Π. П.

4-75 Фізика: Підручник. — Κ.: Вища пік., 2003. — 567 с.: іл. ISBN 966-642-112-7

Викладено основні питання курсу загальної фізики: механіки, молеку­ лярної фізики і термодинаміки, електрики і магнетизму, оптики і спе­ ціальної теорії відносності, фізики атомного ядра і елементарних части­ нок. Розглянуто механіку суцільного середовища, будову й властивості кристалів, рідин, полімерів, рідких кристалів, біологічну дію йонізуючого випромінювання, новітні досягнення фізики.

Для студентів природничих факультетів університетів і педагогічних інститутів. Може бути корисним для студентів інженерно-технічних і тех­ нологічних спеціальностей вищих технічних навчальних закладів.

ВСТУП

1.Предмет фізики

ізагальні методи наукового пізнання

Предмет фізики. У давнину фізикою називали вчення про приро­ ду (від грец. φνσιχά — природа).

Систематизація нагромаджених знань про природні явища з ча­ сом привела до виникнення науки. Знання про природу розширюва­ лись і уточнювались завдяки спостереженням, а на більш високій стадії науки — експериментам.

Предмет фізики не залишається незмінним, а має історично ви­ значений характер. Водночас він не змінюється безперервно зі зміною наукової проблематики, розширенням кола питань, які фізика ви­ вчає на певному етапі. Наприклад, в історії механіки розширення і ускладнення її проблематики відбувалися від статики до динаміки, від динаміки матеріальної точки до динаміки твердого тіла, рідин, газів. Проте ці зміни в науковій проблематиці не спричинили зміни предмета механіки. Нові проблеми не виходили за межі історично визначеного предмета механіки, визначеної форми матеріального руху, які розглядала механіка. В XIX ст. фізика вивчала механічні та теплові рухи, гравітаційне та електромагнітне поля. Сучасна фізика вивчає також квантово-механічну, зокрема внутрішньоядерну, фор­ му руху. Звичайно, ці рухи матерії існували в природі й раніше, але вони не належали і не могли належати предмету фізики, поки не були виявлені експериментально.

Ідеалісти і матеріалісти розуміють предмет фізики по-різному. Представники суб’єктивного ідеалізму стверджують, що предмет будьякої науки, в тому числі й фізики, перебуває у сфері відчуттів і завдання фізики полягає у відкритті законів зв’язків між цими відчут­ тями.

У XIX ст. німецький хімік Ф. Кекуле писав, що хімія — наука про атоми, фізика — наука про молекули, механіка — наука про маси.

Однак при такому визначенні наук не відображено зв’язок між ними. Фізика вивчає найпростіші й найзагальніші властивості ма­ терії та форми її руху (механічні, теплові, електромагнітні тощо), які належать до вищих, складніших форм руху (хімічних, біологіч­

5

них та ін.). Наприклад, фізичний закон всесвітнього тяжіння спра­ ведливий для взаємодії будь-яких тіл, незалежно від того, хімічно прості вони чи складні, є неживою чи живою матерією. Законам збереження підпорядковані всі природні процеси, в тому числі хімічні, біологічні.

Сучасна фізика вивчає різні фізичні поля, елементарні частинки, йони, атоми, молекули та їхні сполуки. Молекули і атоми вивчають також хімія та біологія. Так, на основі спільності об’єкта досліджен­ ня відбувається взаємне проникнення наук. Застосування фізичних методів дослідження в хімії, біології, геології, астрономії приводить до інтеграції науки, виникнення нових самостійних наук — фізич­ ної хімії, біофізики, геофізики, астрофізики тощо.

З розвитком фізики уточнюються і вдосконалюються її закони й поняття, змінюються фізичні теорії. При цьому змінюються і пред­ мет фізики, і методи фізичного дослідження природи.

Фізика в сучасних умовах стає більш диференційованою, що по­ лягає в оформленні окремих розділів науки у відносно самостійні дисципліни зі своїми специфічними завданнями і методами дослі­ дження: фізика твердого тіла, фізика рідин, фізика напівпровідників, фізика низьких температур, фізика атмосфери, фізика атомного ядра, фізика високих енергій та ін. Тому при визначенні предмета сучас­ ної фізики потрібно враховувати ці дві її особливості — інтеграцію та диференціацію.

В атомах та атомних ядрах превалюють фізичні форми руху. Про­ те вже тут починає виявлятися та нова форма руху, дослідження якої належить хімії. Тому властивості атомів та атомних ядер дослі­ джує не тільки фізика, а й хімія. Це та межа, де починається взаємо­ проникнення цих наук. Проте атоми й атомні ядра вивчає в основно­ му фізика. В молекулі, особливо багатоатомній, найбільше виявляєть­ ся хімічна форма руху. Фізика також вивчає макротіла, досліджує їхні фізичні властивості й структуру. Вагомий внесок зробили вченіфізики у вивчення металів, діелектриків, напівпровідників. Без цьо­ го був би неможливий сучасний розвиток техніки.

Сучасна фізика, яка експериментальними методами, теоретич­ ними узагальненнями і передбаченнями вивчає прості, але найзагальніші властивості й об'єктивні просторово-часові закони руху матерії, кількісні та якісні зміни її, пов'язані з будовою, взаємодією і перетвореннями всіх її видів і станів, є частиною природознавства.

Загальні фізичні методи наукового пізнання умовно можна поді­ лити на такі групи: методи емпіричного дослідження; методи, що використовуються на емпіричному та теоретичному рівнях дослі­ дження; методи теоретичного дослідження*.

*Сичивица О. М. Методьі и форми научного познания. — М.: Висш . шк., 1972.

6

До п е р ш о ї г рупи належать такі методи пізнання, як спосте­ реження, порівняння, вимірювання та експеримент.

Спостереження — найелементарніший метод, що виступає най­ частіше як один з елементів у складі інших емпіричних методів. Спостереження — це активний пізнавальний процес, що спирається насамперед на роботу органів відчуття людини та його предметну матеріальну діяльність. Однак при цьому істотне значення належить мисленню людини, її знанням та досвіду.

Прогрес спостереження як метод наукового пізнання нерозривно пов’язаний з прогресом засобів спостереження. Винайдення телеско­ па дало змогу поширити спостереження на мегасвіт, а створення мікро­ скопа сприяло вивченню мікросвіту. Рентгенівський апарат, радіоло­ катор, генератор ультразвуку та багато інших технічних засобів спосте­ реження привело до зростання значення цього методу дослідження. Спостереження — це не випадкове сприйняття об’єкта, не одноактна дія. Дослідник може дістати по-справжньому цінну інформацію лише тоді, коли спостереження ведеться або неперервно, або за визначеною системою, що дає змогу сприймати об’єкт багаторазово і в найрізно­ манітніших умовах. Спостереження як засіб пізнання дає нам у формі сукупності емпіричних тверджень первісну інформацію про об’єкт до­ слідження, а результат спостереження є первинним етапом пізнання.

Порівняння — це один із найпоширеніших і універсальних ме­ тодів пізнання. Не випадково існує відомий афоризм: «все пізнаєть­ ся в порівнянні». Порівнянням називають установлення подібності й відмінності предметів і явищ дійсності. Внаслідок порівняння вста­ новлюють те загальне, що притаманне двом або більше об’єктам, а виявлення загального, що повторюється в явищах, як відомо, відкри­ ває шлях до пізнання закону. Щоб порівняння було плідним, воно має задовольняти дві основні вимоги. Порівнюють лише такі явища, між якими може існувати певна об’єктивна спільність. Не можна порівнювати явно непорівнювані речі, оскільки це може призвести у найкращому разі до поверхових, а отже, безплідних аналогій. Об’єк­ ти мають порівнюватися за найважливішими, істотними ознаками. Порівняння за неістотними ознаками може призвести до помилко­ вих висновків. Різні досліджувані об’єкти можна порівнювати без­ посередньо або опосередковано — через порівняння їх з якимось іншим об’єктом. У разі спостереження найчастіше дістають такі якісні результати: більше — менше, тепліше — холодніше тощо. Якщо об’єк­ ти порівнюють з якимось іншим об’єктом, що відіграє роль еталона, то знайдені кількісні характеристики набувають особливої цінності, оскільки вони описують об’єкти безвідносно один щодо одного, да­ ють більш повне знання про них. Таке порівняння називають вимі­ рюванням.

Вимірювання історично виникло з порівняння, що є його осно­ вою. Проте, на відміну від порівняння, вимірювання є більш ефек­

7