Лекция 1 Введение

Физика Предмет физики

Все научные дисциплины условно разделены на две основные группы:

• естествознание – занимается изучением природных объектов и явлений, не являющиеся продуктом деятельности человека или человечества

• гуманитарные науки – изучают явления и объекты, возникшие как результат деятельности человека.

Обособленно от них стоит математика, создающая аппарат формально-логического описания объектов и явлений мира.

Также обособленно стоит философия. Все научные дисциплины выделились из философия, считающейся матерью всех наук. В настоящее время философия существует как отдельная наука, изучающая наиболее общие законы, лежащие в основе мироздания.

Цель естествознания – создание научной картины мира.

В основе естествознания лежат две основные науки

• физика, изучающая фундаментальные закономерности неживой природы

• биология, изучающая закономерности живой природы

Все остальные естественные науки выделились из этих двух наук.

Особо можно отметить технические науки, выделившиеся из естествознания. Их отличает прикладная направленность проводимых исследований.

Физика изучает основные формы существования и движения материи

Материя – философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существует независимо от них.

По современным представлениям материя существует в виде вещества, поля и физического вакуума:

• Вещество состоит из элементарных частиц, которые объединяются в атомы и молекулы. Ядра атомов являются связанными состояниями протонов и нейтронов. Атомы – связанными состояниями ядра и электронов. Молекулы – связанными состояниями атомов. Вещество – связанными состояниями молекул.

• Поле представляет собой физический континуум (непрерывное множество) с помощью которого осуществляется взаимодействие между частицами. По современным представлениям физические взаимодействия имеют обменную природу, то есть взаимодействие передается особыми частицами, такими как фотоны, гравитоны, глюоны, векторные бозоны. Таким образом, поле, как и вещество, обладает структурой.

• Физический вакуум – это нулевое состояние поля, является совокупностью виртуальных частиц и их античастиц при достаточно большой концентрации энергии.

Материя существует в пространстве и времени.

• Пространство выражает состояние материальных объектов и форму отношений между ними. Первая законченная теория пространства – это геометрия Эвклида, которая оперирует идеальными математическими объектами, существующими вне времени. В настоящее время считается, что геометрия Эвклида описывает частный случай плоского однородного изотропного математического пространства. Такое представление о пространстве лежит в основе физики Ньютона. Позднее появились другие геометрии, в частности, геометрия Лобачевского, геометрия Римана и, наконец, геометрия Минковского, соответствующая теории относительности Эйнштейна.

• Время выражает порядок смены состояний и является характеристикой физических процессов или явлений. Время измеряется часами, принцип работы которых основан на каком – либо периодическом процессе (колебание, вращение).

Представления о пространстве и времени изменялись в процессе становления физики как науки:

• Ньютон определял пространство и время как особого рода вместилище материальных объектов, способное существовать даже при условии отсутствия этих объектов, причем свойства пространства и времени не зависят от находящихся в них материальных объектов. То есть Ньютон считал, что пространство и время являются абсолютными и обладают свойствами бесконечной протяженности и бесконечной делимости.

• Со времен Эйнштейна пространство и время считаются мерой отношений между физическими объектами, не имеющими смысла в отрыве от этих объектов. Материальные объекты могут деформировать пространство и время. То есть с позиций Эйнштейна пространство и время относительны. С позиций квантовой физики пространство и время не является непрерывным, оно квантовано.

Движение. Наличие пространства и времени приводит к тому, что неотъемлемым атрибутом материи является её движение, которое в философии определяется как изменение вообще. В физике под движением имеют в виду изменение во времени состояния физической системы.

Состояние физической системы описывается набором измеряемых параметров, к которым относятся пространственно-временные координаты, импульс, энергия, момент импульса, температура и т.п.

Частные случаи движения, изучаемые в физике:

• механическое движение,

• тепловое движение,

• электромагнитные процессы,

• оптические явления,

• атомные и ядерные процессы

• и т.п.

Взаимодействия. Движение частиц определяется их взаимодействием с окружающими частицами и полями.

Современной физике известны четыре типа фундаментальных взаимодействий:

• гравитационное,

• электромагнитное,

• сильное,

• слабое.

В результате взаимодействий частицы могут образовывать связанные состояния или распадаться. Например, благодаря слабым взаимодействиям существует нейтрон, как система из протона и электрона; благодаря сильным взаимодействиям существуют ядра атомов; благодаря электрическому взаимодействию заряженных частиц – атомы, молекулы, тела; благодаря гравитационному взаимодействию – планеты, звёзды, галактики, метагалактика.

Фундаментальность физических законов обладает свойством универсальности, которое заключается в том, что они применимы к объектам всего мира. Например, законы сохранения энергии и импульса применимы для описания объектов макромира, микромира и мегамира, т.е. для описания движения тел на Земле, элементарных частиц, а также движения планет и звёзд. Универсальность физических законов подтверждает единство природы и Вселенной в целом.

Физика – наука экспериментальная.

Любое исследование начинается с наблюдения явления, его экспериментального воссоздания и количественного измерения. Затем осуществляются попытки объяснить его в рамках выдвигаемой теоретической схемы. Если старая теория не объясняет открытое явление, выдвигаются научные гипотезы, расширяющие рамки старой теории. Выводы представленной теории должны находить экспериментальное подтверждение. Новая теория, как правило, содержит старую (принцип соответствия).

Материальный мир познаваем. Познание мира – бесконечный процесс, конечной целью которого является объективная истина. Приближение к истине идет путём упрощения исследуемых объектов или процессов, облегчающие выявление главных физических закономерностей окружающего нас мира. Упрощения связаны с абстрагированием от несущественных особенностей объекта или явления. Такой метод называется моделированием. Выбор правильной модели – важнейшая и одна из наиболее трудных задач при познании окружающего мира.

Любая физическая теория опирается на идеализированные модели изучаемых объектов и явлений (материальная точка, абсолютно твёрдое тело, абсолютно упругое тело, нерастяжимая нить, идеальный газ, идеальная жидкость, идеальная тепловая машина, равновесные процессы, точечный электрический заряд, обратимые процессы, равновесное излучение, точечный источник света, монохроматическое излучение и т.д.). Естественно, сфера действия любой теории ограничена принятой моделью.

Любая теория содержит конечное число законов и принципов. Хорошая теория отличается меньшим количеством постулатов, положенных в её основу. Любая теория строится по аксиоматическому принципу, но в отличие от математики в физике их не выдумывают, а берут из природы как обобщение опытных фактов.

Любой физический закон представляет функциональную, причинно-следственную связь между физическими величинами. Физические величины определяются по способу их опытного измерения или математического вычисления, являются размерными величинами (кг/м³, кг м/с²,…). Размерности любого физического соотношения должны быть согласованы. Существует целый раздел физики, называемый «методом анализа размерностей», позволяющий устанавливать функциональные связи между физическими величинами.

Физика – глубоко теоретизированная наука, использует большой спектр математического аппарата: от элементарной математики до её специальных разделов. В физике широко используются аналогии между явлениями различной физической природы, применяются как дедуктивный, так и индуктивный методы.

Физика в техническом ВУЗе выполняет несколько функций:

• общеобразовательную,

• формирует творческое инженерное мышление,

• закладывает базовые знания специальности.

В этой связи курс физики не может делиться на «нужную» и «ненужную» части. Полноценное представление об окружающем мире можно получить, только изучив полный, логически замкнутый, курс физики.

Вся физика основывается на небольшом числе основных законов (законы Ньютона, начала термодинамики,…) и фундаментальных принципов (относительности, суперпозиции,…). Поэтому в первую очередь следует освоить основные законы и принципы, а затем их важнейшие следствия, выход в практику. Научиться применять их для решения конкретных задач. Развитию аналитических способностей способствует решение качественных задач. Решение стандартных учебных задач позволяет освоить логические приёмы анализа физической ситуации, выбирать соответствующие модели и математическое описание (постановка задачи, методы решения алгебраических и дифференциальных уравнений,…), использовать аналогии, научиться анализировать полученное решение и вычислять с необходимой точностью. Постановка и решение проблемных задач развивает творческое мышление, интуицию, стимулирует поиск оригинального (нестандартного) подхода и нестандартных методов решения. Учебной программой предусмотрено приобретение экспериментальных навыков проведения физического эксперимента (лабораторный практикум).

В теоретическом изложении, при решении физических задач и проведении эксперимента мы будем использовать преимущественно международную систему единиц СИ, в которой за основные единицы приняты: кг, м, с, А, К, рад, моль. Все остальные единицы физических величин являются производными, и их размерность определяется через основные единицы.

В технических ВУЗах изучаются такие разделы физики как:

• классическая механика,

• молекулярная физика и термодинамика,

• электричество и магнетизм,

• волновая и квантовая оптика,

• атомная и ядерная физика.

В первом семестре мы будем изучать классическую механику, элементы молекулярной физики и термодинамики.