№1. Місце фізики у сучасному житті.

Фізика – це наука, що вивчає найпростіші і разом з тим найбільш загальні закономірності явищ природи, властивості і будову матерії та закони її руху. Фізика має спільні об’єкти і методи дослідження з іншими природничими науками, внаслідок чого виникли цілі галузі знань: фізична хімія, хімічна фізика, хімічна термодинаміка, астрофізика, біофізика, геофізика. Основою сучасної фізики є математика. Математичний апарат широко використовується при обробці й узагальненні експериментальних результатів. Фізика є основою сучасного науково-технічного прогресу: механічний транспорт, електротехніка, радіотехніка, теплотехніка, автоматика і телемеханіка, будівельна техніка, сучасні технології, напівпровідникова і обчислювальна техніка та багато інших прикладних застосувань фізики. Технічний прогрес також сприяє розробці сучасної експериментальної бази фізичних досліджень: вимірювальних приладів, мікроскопів, спектрографів, прискорювачів елементарних частинок та ін.. Фізика має надзвичайно велике загальнонаукове значення як одна із галузей інтелектуальної діяльності людини, що формує сучасне світосприйняття і світорозуміння.На жаль, використання досягнень сучасної фізики дає не тільки позитивні наслідки. На сучасному етапі розвитку науки і техніки виникли такі важливі проблеми людства, як боротьба за попередження ядерних війн, скорочення ядерних озброєнь, розв’язання екологічних проблем, відчуження людини від природи тощо. Також фізика має велике значення у розвитку всіх галузей економіки. Досягнення фізики в значній мірі визначають зміст сучасної науково-технічної і технологічної революції, вони становлять основу науково-технічного прогресу.

№2. Підрозділи фізики та предмети їх досліджень.

Фізика — природнича наука, яка досліджує загальні властивості матерії та явищ у ній, а також виявляє загальні закони, які керують цими явищами. Розділів фізики багато: механіка, термодинаміка, оптика, електродинаміка, електрика, ядерна фізика, теплова та молекулярна фізика, статистична фізика і т.д.Один з фундаментальних розділів фізичної науки є механіка. Механіка – це наука про механічний рух, механічні взаємодії і рівновагу тіл. Механіку поділяють на класичну, релятивістську і квантову. Термодинаміка - розділ теоретичної фізики, що стосується законів явищ поширення та збереження тепла. Розрізняють феноменологічну та статистичну термодинаміки. Остання в свою чергу поділяється на класичну й квантову.Оптика — розділ фізики, в межах якого вивчається природа оптичного випромінювання (світла), досліджуються процеси випромінювання світла, його поширення в різноманітних середовищах і взаємодії з речовиною.Електродинаміка — розділ фізики, який займається вивченням взаємодії наелектризованих, намагнічених тіл та провідників зі струмами. Предмет електродинаміки включає зв'язок електричних і магнітних явищ, електромагнітне випромінювання, електричний струм і його взаємодія з електромагнітним полем. Електрика — розділ фізики, що вивчає електричні явища: взаємодію між зарядженими тілами, явища поляризації та проходження електричного струму.Ядерна фізика — розділ фізики, який вивчає структуру і властивості атомних ядер, та механізми ядерних реакцій (в тому числі радіоактивний розпад).Молекулярна фізика — розділ фізики, який вивчає речовину на рівні молекул. Речовину на рівні атомів вивчає атомна фізика.Статистична фізика — розділ теоретичної фізики, що вивчає поводження систем з дуже великим числом часток у стані локальної рівноваги.

№3.Основні типи взаємодій. Їх роль у формуванні Всесвіту.

Тіла взаємодіють між собою за допомогою сил тяжіння (гравітаційних сил). Уся різноманітність навколишнього світу, за Ньютоном, полягала за відмінності руху частинок. Така картина світу панувала доти, поки Дж. Максвель не сформулював рівняння, які описують основні закони надмірності електромагнітних явищ. Ці закономірності не можна було пояснити з точки зору механіки Ньютона. На відміну від класичної механіки, де припускають, що тіла взаємодіють миттю (теорія далекодії)теорія Максвеля твердила, що взаємодія відбувається з скінченою швидкістю, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі, за допомогою електромагнітного поля (теорія близькості). Створення спеціальної теорії відносності - нового вчення про простір і час - дало можливість повністю обґрунтувати електромагнітну теорію. У спеціальній теорії відносності виведено релятивістські рівняння руху, які для великих швидкостей замінюють рівняння класичної механіки. До складу всіх без винятку атомів входять електрично заряджені частинки. Це дає можливість за допомогою електромагнітної теорії пояснити природу сил, які діють всередині атомів, молекул і макроскопічних тіл. Це положення покладено в основу створення так званої електромагнітної картини світу, намагалися пояснити за допомогою законів електродинаміки. Проте пояснити будову і рух матерії тільки електромагнітними взаємодіями не вдалося.

Дальший розвиток фізики показав, що крім гравітаційної і електромагнітної є й інші типи взаємодії. Перша половина ХХ ст. позначилась інтенсивними дослідженнями будови електронних оболонок атомів і тих закономірностей, які керують рухом електронів у атомі. Це привело до виникнення нової галузі фізико-квантової механіки. У квантовій механіці використано поняття дуалізму: рухома матерія є водночас і речовиною і полем, тобто має і корпускулярні і хвильові властивості. У класичній фізиці матерія - завжди або сукупність частинок, або потім хвиль. Розвиток ядерної фізики, відкриття елементарних частинок, дослідження їхніх властивостей і взаємоперетворень привели до встановлення ще двох типів взаємодій, які назвали сильними і слабкими. Отже, сучасною фізичною картиною світу передбачено чотири типи взаємодії: сильна (ядерна), електромагнітна, слабка і гравітаційна. Кожному типу взаємодії відповідає своє поле і свої кванти цього поля. Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі і зумовлена ІІ-мезанним обміном між нуклонами. Слабка взаємодія проявляється в основному під час розпаду елементарних частинок. Отже, вчення про будову матерії тепер є атомістичним, квантовим, релятивіським. У ньому застосовують статистичні уявлення. Відомі на сьогодні чотири типи взаємодій лежать в основі всіх сил і їх взаємодії у Всесвіті. Якщо теорії елементарних частинок і їх взаємодій є справді фундаментальними, то вони повинні пояснювати явища не тільки мікросвіту, а й макросвіту, тому поводження зір і галактик має описуватись тими самими фізичними законами, що й елементарних частинок. Будову зір і галактик пояснюють за допомогою основних законів фізики.

№4. Гравітаційна взаємодія, закон всесвітнього тяжіння.

У природі спостерігається 4 види взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, ядерна (або сильна) і слабка взаємодії. У механіці розглядаються три види сил: силу тертя, силу пружності і силу тяжіння. Перші дві (тертя і пружності) мають електромагнітний характер, третя (тяжіння) - належить до гравітаційних взаємодій. Найслабшими серед усіх сил є гравітаційні. До 17 століття вчені вважали, що лише Земля має особливу властивість притягувати до себе всі тіла, які перебувають поблизу її поверхні. У 1667 році Ньютон висловив припущення, що взагалі між усіма тілами діють сили взаємного притягання.

Сили тяжіння (гравітаційні сили). Взаємне притягання тіл називають всесвітнім тяжінням, або гравітацією. Сили, з якими будь-які два тіла притягуються одне до одного, називаються силами всесвітнього тяжіння, або гравітаційними силами. Вивчаючи рух небесних тіл і падіння тіл в земних умовах, Ньютон встановив закон всесвітнього тяжіння, згідно якому матеріальні точки притягуються одна до одної з силою F, пропорційної їх масам m₁ і m і обернено пропорційної квадрату відстані r між ними:

Закон справедливий також для випадків взаємодії куль і взаємодії великої кулі з малим тілом. При цьому під r слід розуміти відстань між центрами кульок.

Коефіцієнт γ = 6,67^. 10^-11 був визначений експериментально і названий гравітаційною сталою. Згідно формулі, гравітаційна стала дорівнює вираженою в ньютонах силі тяжіння між двома точковими масами в 1 кг кожна, що знаходяться на відстані 1 м один від одного.

№5. Джерело гравітаційної взаємодії. Напруженість та потенціал поля точкової маси. Ніщо у Всесвіті не може уникнути гравітації. Кожна частинка зазнає дії гравітації і сама є джерелом гравітації, спричинює гравітаційне притягання. Гравітація зростає в міру утворення все більших скупчень речовини. І хоч притягання одного атома мізерно мале, але сукупна сила притягання з боку всіх атомів може бути значною. Це виявляється й у повсякденному житті: ми відчуваємо гравітацію тому, що всі атоми Землі спільно притягають нас. Гравітаційна взаємодія між тілами здійснюється за допомогою поля тяжіння чи гравітаційного поля. Напруженість гравітаційного поля – це силова характеристика поля тяжіння. Вона чисельно дорівнює силі, що діє на одиницю маси точкового тіла, внесеного в дану точку поля:

У гравітаційному полі Землі , звідки де RЗ – радіус Землі, М – маса Землі, h – відстань від центра тяжіння тіла до поверхні Землі.

При переміщенні тіла масою m на відстань dR поле тяжіння здійснює роботу:

При переміщенні тіла з відстані R1 на відстань R2:

Робота не залежить від траєкторії переміщен-ня, а визначається тільки початковим і кінцевим положеннями тіла. Отже, сили тяжіння консервативні, а поле тяжіння є потенціальним. Робота консервативних сил дорівнює зміні потенціальної енергії системи з протилежним знаком:

Тому потенціальна енергія поля сил тяжіння дорівнює:

Для будь-якого потенціального поля можна визначити скалярну енергетичну характеристику поля – потенціал:

Отже, потенціал поля тяжіння – це величина, яка не залежить від маси тіла m, а залежить тільки від маси M і відстані R від цього тіла до точки поля.

Існує взаємозв'язок між напруженістю поля та його потенціалом:

У загальному випадку для будь-якого потенціального поля між напруженістю і потенціалом існує зв'язок:

Знак "мінус" вказує на те, що вектор напруженості напрямлений в сторону спадання потенціалу.

6.Гравітаційна взаємодія поблизу поверхні Землі.

Г равіта́ція — це властивість масивних тіл притягуватись одне до одного. Гравітація є, зокрема, причиною земного тяжіння, внаслідок якого предмети падають додолу. Також орбіта Місяця навколо Землі і Землі та інших планет навколо Сонця визначається законами гравітації. Повертаючись до закону всесвітнього тяжіння і застосовуючи його до випадку взаємодії земної кулі з тілами, розташованими поблизу земної поверхні, одержимо:

д е М — маса Землі, R — її радіус, т — маса тіла, h — його висота над земною поверхнею. Оскільки R»h, той вираз сили тяжіння тіл до Землі можна представити у вигляді:

З іншого боку де g — прискорення вільного падіння тіл поблизу земної поверхні. З формул (7) і (8) слідує, що

оскільки γ, М і R — постійні величини. Таким чином, із закону всесвітнього тяжіння виходить, що поблизу Землі всі тіла падають з однаковим прискоренням g ≈ 9,8l м/сек². Інакше кажучи, завдяки обертанню Землі навкруги своєї осі величина прискорення g не є постійною, а дещо змінюється залежно від широти і висоти місця. Приведене значення g відповідає широті 45° на рівні моря. Прискорення вільного падіння – це прискорення, якого набуває тіло під дією сили тяжіння і яке чисельно дорівнює силі, з якою гравітаційне поле Землі діє на тіло масою 1 кг.

7.Електрична взаємодія. Закон Кулона.

Закон Кулона — один з основних законів електростатики, який визначає величину та напрямок сили взаємодії між двома нерухомими точковими зарядами. Експериментально з задовільною точністю був вперше доведений Генрі Кавендішем у 1773, який використовував метод сферичного конденсатора, але його роботи не були опубліковані. В 1785 році закон був встановлений Шарлем Кулоном за допомогою спеціальних крутильних терезів.Електростатична сила взаємодії F₁₂ двох точкових нерухомих зарядів q₁ та q₂ в вакуумі прямо пропорційна добутку абсолютних значень зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані r₁₂ між ними.

у векторній формі:

Сила взаємодії направлена вздовж прямої, що з'єднує заряди, причому однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються. Сили, що визначаються законом Кулона адитивні. Коефіціент пропорційності k має назву електростатичної сталої та залежить від вибору одиниць виміру. Так в Міжнародній системі одиниць СІ k=1/(4πε₀) ≈ 8,987742438 -987742438       ·10⁹ Н·м²·Кл^-2, де - електрична стала. В системі СГСГ одиниця вимірювання заряду обрана таким чином, що k=1. Наступні умови є необхідними для виконання сформульованого закону:

1. Точковість зарядів— відстань між зарядженими тілами має бути набагато більшою від розмірів тіл.

2. Нерухомість зарядів. В протилежному випадку потрібно враховувати магнітне поле заряду, що рухається.

В однорідному ізотропному середовищі сила взаємодії між зарядами зменшується в ε разів:

,

де ε діелектрична проникність середовища.

Два роди зарядів

Наелектризовані тертям шматочок янтарю і шматочок скла притягаються один до одного, але шматочки янтарю один від одного відштовхуються, шматочки скла — теж. Підкреслюючи відмінність у наелектризованості янтарю і скла, спочатку умовно говорили про «смоляну» і «скляну» електрику, а потім янтар назвали зарядженим негативно, а скло — позитивно. Електризація тіл при терті в основному зумовлена збільшенням під час взаємного руху тіл площі їх поверхні контакту, з якої й відбувається обмін електричними зарядами між тілами. Електричним зарядомq (від англ. quantity — кількість) назвали кількісну міру здатності заряджених тіл до взаємодії. Одиницю заряду назвали кулоном — на честь Шарля Кулона, [q]= Кл. Вираз «заряд» часто вживають для позначення маленького зарядженого тіла чи зарядженої частинки.