Физика что это такое и что изучает

Физика

Из Википедии — свободной энциклопедии

Энциклопедичный YouTube

Субтитры

Содержание

Термин «физика» впервые фигурирует в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля (IV век до нашей эры). Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимами, так как в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика развилась в самостоятельную научную отрасль.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров. Развитие фотоники способно дать возможность создать принципиально новые — фотонные — компьютеры и другую фотонную технику, которые сменят существующую электронную технику. Развитие газодинамики привело к появлению самолётов и вертолётов.

Знания физики процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико-экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Источник

Физика

Фи́зика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания. [1]

Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.

В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый русский учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком П. И. Страховым.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Содержание

Предмет физики

Физика — это наука о природе (естествознание) в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает различные субстанции бытия (материю, вещество, поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, — их называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).

Научный метод

Физика — естественная наука. В ее основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а ее задача — формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточивается на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д. В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих черт этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, то есть явление описывается количественно с помощью определенных параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применения. Общие физические теории позволяют формулировки физических законов, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения.

Так, например, Стивен Грей заметил, что электричество можно передавать на довольно значительное расстояние с помощью увлажненных нитей и начал исследовать это явление. Георг Ом сумел найти для него количественную закономерность — ток в проводнике пропорционален напряжению (закон Ома). При этом, конечно, эксперименты Ома опирались на новые источники питания и на новые способы измерять действие электрического тока, что позволило количественно охарактеризовать его. По результатам дальнейших исследований удалось абстрагироваться от формы и длины проводников и ввести такие феноменологические характеристики, как удельное сопротивление проводника и внутреннее сопротивление источника питания. Закон Ома и поныне основа электротехники, однако исследования установили также рамки его применения — открыли элементы электрической цепи с нелинейными вольт-амперными характеристиками а также вещества, не имеющие электрического сопротивления — сверхпроводники. После открытия заряженных микроскопических частиц — электронов, была сформулирована микроскопическая теория электропроводности, объясняющая зависимости сопротивления от температуры посредством рассеяния электронов на колебаниях кристаллической решетки, примесях и т. д.

В. И. Ленин писал: «Одним словом, сегодняшний «физический» идеализм точно так же, как вчерашний «физиологический» идеализм, означает только то, что одна школа естествоиспытателей в одной отрасли естествознания скатилась к реакционной философии, не сумев прямо и сразу подняться от метафизического материализма к диалектическому материализму. Этот шаг делает и сделает современная физика, но она идет к единственно верному методу и единственно верной философии естествознания не прямо, а зигзагами, не сознательно, а стихийно, не видя ясно своей «конечной цели», а приближаясь к ней ощупью, шатаясь, иногда даже задом».( Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм. — Полн. собр. соч., т. 18, с. 327. )

Количественный характер физики

Физика — количественная наука. Физический эксперимент опирается на измерения, то есть сравнение характеристик исследуемых явлений с определенными эталонами. С этой целью физика развила совокупность физических единиц и измерительных приборов. Отдельные физические единицы объединяются в системы физических единиц. Так, на современном этапе развития науки стандартом является Международная система СИ.

Полученные экспериментально количественные зависимости позволяют использовать для своей обработки математические методы и строить теоретические, то есть математические модели изучаемых явлений.

С изменением представлений о природе тех или иных явлений меняются также физические единицы, в которых измеряются физические величины. Так, например, для измерения температуры сначала были предложены произвольные температурные шкалы, которые делили промежуток температур между характерными явлениями (например, замерзанием и кипением воды) на определенное количество меньших промежутков, которые получили название градусов температуры. Для измерения количества теплоты была введена единица — калория, которая определяла количество теплоты, необходимой для нагрева грамма воды на один градус. Однако со временем физики установили соответствие между механической и тепловой формой энергии. Таким образом, оказалось, что предложенная ранее единица количества теплоты, калория, является излишней, как единица измерения температуры. И количество теплоты и температуру можно измерять в единицах механической энергии. В современную эпоху калория и градус не вышли из практического употребления, но между этими величинами и единицей энергии Джоулем существует точное числовое соотношение. Градус, как единица измерения температуры входит в систему СИ, а коэффициент перехода от температурной к энергетическим величинам, постоянная Больцмана, считается физической постоянной.

История физики

Физика — это наука о материи, ее свойствах и движении. Она является одной из наиболее древних научных дисциплин. Люди пытались понять свойства материи из древнейших времен: почему тела падают на землю, почему разные вещества имеют различные свойства и т. д. Интересовали людей также вопрос о строении мира, о природе Солнца и Луны. Сначала ответы на эти вопросы пытались искать в философии. В основном философские теории, которые пытались дать ответы на такие вопросы не проверялись на практике. Однако, несмотря на то, что нередко философские теории неправильно описывали наблюдения, еще в древние времена человечество добилось значительных успехов в астрономии, а греческий мудрец Архимед даже сумел дать точные количественные формулировки многих законов механики и гидростатики.

Некоторые теории древних мыслителей, как, например, идеи о атомах, которые были сформулированы в древних Греции и Индии, опережали время. Постепенно от общей философии начало отделяться естествознание, как и его часть, которая описывает окружающий мир. Одна из основных книг Аристотеля называется «Физика». Несмотря на некоторые неправильные утверждения, физика Аристотеля на протяжении веков оставалась основой знаний о природе.

Период до научной революции

Свойство человечества сомневаться и пересматривать положения, которые раньше считались единственно истинными, в поисках ответов на новые вопросы в итоге привела к эпохе великих научных открытий, которую сегодня называют научной революцией, начавшейся примерно со второй половины 16-го века. Предпосылки к этим коренным изменениям сложились благодаря достоянию древних мыслителей, наследие которых можно проследить до Индии и Персии. Сюда входят эллиптические модели планетарных орбит, опиравшиеся на гелиоцентрическую модель Солнечной системы, которую разработал индийский математик и астроном Ариабхата I, базовые положения атомизма, предложенные индусскими и джайнистськимы философами, теория о том, что свет эквивалентно энергетическим частицам буддистских мыслителей Дигнагы и Дхармакирти, оптическая теория арабского ученого Альхазена, изобретение персом Могаммадом аль Фазари астролябии. Персидский ученый Насир аль Дин ат Туси указал на значительные недостатки птолемеевской системы.

Средневековая Европа на какое-то время потеряла знания античных времен, но под влиянием Арабского халифата сохраненные арабами сочинения Аристотеля вернулись. В 12-13 веках нашли свой ​​путь в Европу также произведения индийских и персидских ученых. В Средние века начал складываться научный метод, в котором основная роль отводилась экспериментам и математическому описанию. Ибн аль-Хайсам (Альхазен) считается основоположником научного метода. В своей «Книге о оптике», написанной в 1021 году, он описывал эксперименты, поставленные для того, чтобы доказать справедливость своей теории зрения, которая утверждала, что глаз воспринимает свет, излучаемый другими объектами, а не сам глаз излучает свет, как считали раньше Евклид и Птолемей. В экспериментах Альхазена использовалась камера обскура. С помощью этого прибора он проверял свои гипотезы относительно свойств света: или свет распространяется по прямой, или смешиваются в воздухе различные лучи света.

Научная революция

Период научной революции характеризуется утверждением научного метода исследований, вычленением физики из массы натурфилософии в отдельную область и развитием отдельных разделов физики: механики, оптики, термодинамики и т. д.

Большинство историков придерживаются мнения о том, что научная революция началась в 1543 году, когда Копернику привезли из Нюрнберга впервые напечатанный экземпляр его книги «Об обращении небесных сфер».

На протяжении века с тех пор знания человечество обогатилось работами таких исследователей, как Галилео Галилея, Христиана Гюйгенса, Иоганна Кеплера и Блеза Паскаля. Галилей первым начал последовательно применять научный метод, проводя эксперименты, чтобы подтвердить свои предположения и теории. Он сформулировал некоторые законы динамики и кинематики, в частности закон инерции, и проверил их опытным путем. В 1687 году Ньютон опубликовал книгу «Principia», в которой в подробностях описал две основополагающие физические теории: законы движения тел, известные под названием законы Ньютона, и законы тяготения. Обе теории прекрасно согласовывались с экспериментом. Книга также приводила теории движения жидкостей. Впоследствии классическая механика была переформулирована и расширенная Леонардом Эйлером, Жозефом-Луи Лагранжем, Уильямом Гамильтоном и другими. Законы гравитации заложили основу тому, что позже стало астрофизикой, которая использует физические теории для описания и объяснения астрономических наблюдений.

После установления законов механики Ньютоном, следующим исследовательским полем стало электричество. Основы создания теории электричества заложили наблюдения и опыты таких ученых 17-го века, как Роберт Бойль, Стивен Грей, Бенджамин Франклин. Сложились основные понятия — электрический заряд и электрический ток. В 1831 году английский физик Майкл Фарадей объединил электричество и магнетизм, продемонстрировав, что движущийся магнит индуцирует в электрической цепи ток. Опираясь на эту концепцию, Джеймс Клерк Максвелл построил теорию электромагнитного поля. Кроме электромагнитных явлений уравнения Максвелла описывают свет. Подтверждение этому нашел Генрих Герц, открыв радиоволны.

С построением теории электромагнитного поля и электромагнитных волн победой волновой теории света, основанной Гюйгенсом, над корпускулярной теорией Ньютона, завершилось построение классической оптики. На этом пути оптика обогатилась пониманием дифракции и интерференции света, достигнутым благодаря трудам Френеля и Янга.

В 18-м и начале 19-го века были открыты основные законы поведения газов, а со временем тепловых машин сформировалась наука термодинамика. В 19-ом веке Джоуль установил эквивалентность механической и тепловой энергий, что привело к формулировке закона сохранения энергии. Благодаря Клаузиусу был сформулирован второй закон термодинамики, Гиббс заложил основы статистической физики, Людвиг Больцман предложил статистическую интерпретацию понятия энтропии.

Под конец девятнадцатого века физики подошли к значительному открытию — экспериментальному подтверждению существования атома.

В конце девятнадцатого века изменилась роль физики в обществе. Возникновение новой техники: электричества, радио, автомобиля и т. д., требовало большого объема прикладных исследований. Занятия наукой стало профессией. Фирма General Electric первой открыла собственные исследовательские лаборатории. Такие же лаборатории стали появляться в других фирмах.

Смена парадигм

Конец девятнадцатого, начало двадцатого века был временем, когда под давлением новых экспериментальных данных физикам пришлось пересмотреть старые теории и заменить их новыми, заглядывая все глубже в строение материи. Эксперимент Майкельсона — Морли выбил основу из-под ног электромагнетизма, поставив под сомнение существование эфира. Были открыты новые явления, такие как рентгеновские лучи и радиоактивность. Не успели физики доказать существование атома, как появились доказательства существования электрона, эксперименты с фотоэффекта и измерения спектра теплового излучения давали результаты, которые невозможно было объяснить, исходя из принципов классической физики. В прессе этот период назывался кризисом физики, но одновременно он стал периодом триумфа физики, сумевшей выработать новые революционные теории, которые не только объяснили непонятные явления, но и многие другие, открыв путь к новому пониманию природы.

В 1905 году Альберт Эйнштейн построил специальную теорию относительности, которая продемонстрировала, что понятие эфира не требуется при объяснении электромагнитных явлений. При этом пришлось изменить классическую механику Ньютона, дав ей новую формулировку, справедливую при больших скоростях. Коренным образом изменились также представления о природе пространства и времени. Эйнштейн развил свою теорию в общую теорию относительности, опубликованную в 1916 году. Новая теория включала в себя описание гравитационных явлений и открыла путь к становлению космологии — науки об эволюции Вселенной.

Рассматривая задачу о тепловом излучении абсолютно черного тела Макс Планк в 1900 году предложил невероятную идею, что электромагнитные волны излучаются порциями, энергия которых пропорциональна частоте. Эти порции получили название квантов, а сама идея начала построение новой физической теории — квантовой механики, которая еще больше изменила классическую ньютоновскую механику, на этот раз при очень малых размерах физической системы. В том же 1905-м году Альберт Эйнштейн применил идею Планка для успешного объяснения экспериментов с фотоэффектом, предположив, что электромагнитные волны не только излучаются, но и поглощаются квантами. Корпускулярная теория света, которая, казалось, потерпела сокрушительное поражение в борьбе с волновой теорией, вновь получила поддержку.

Спор между корпускулярной и волновой теорией нашел свое решение в корпускулярно-волновом дуализме, гипотезе, сформулированной Луи де Бройлем. По этой гипотезе не только квант света, а любая другая частица проявляет одновременно свойства, присущие как корпускул, так и волны. Гипотеза Луи де Бройля подтвердилась в экспериментах с дифракции электронов.

В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную теорию атома, а в 1913 году Нильс Бор построил модель атома, в которой постулировал квантовый характер движения электронов. Благодаря работам Вернера Гайзенберга, Эрвина Шредингера, Вольфганга Паули, Поля Дирака и многих других квантовая механика нашла свое точную математическую формулировку, подтвердждённую многочисленными экспериментами. В 1927 году была произведена копенгагенская интерпретация, которая открывала путь для понимания законов квантового движения на качественном уровне.

Физика современности

С открытием радиоактивности Анри Беккерелем началось развитие ядерной физики, которая привела к появлению новых источников энергии: атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытые при исследованиях ядерных реакции новые частицы: нейтрон, протон, нейтрино, дали начало физике элементарных частиц. Эти новые открытия на субатомном уровне оказались очень важными для физики на уровне Вселенной и позволили сформулировать теорию её эволюции — теорию Большого взрыва.

Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.

Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.

Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.

Теоретическая и экспериментальная физика

В основе своей физика — экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.

Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы — парадокса классической теоретической физики излучения).

В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).

При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.

Прикладная физика

От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.

Основные теории

Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.

Источник

Содержание:

За этим сухим определением из энциклопедии кроется огромный мир науки. Вы будете знакомиться с ней постепенно, открывая для себя все новые и новые вершины физики.

Физические явления

Вы, наверное, давно заметили, что мир вокруг нас постоянно меняется. Яблоки с дерева падают вниз, а шары, наполненные гелием, поднимаются вверх. Изменения в природе называют явлениями.

События происходят в определенном порядке, то есть с течением времени: во время грозы сначала вспыхивает молния (рис. 1.1), а после нее слышатся раскаты грома. Почему так происходит, в чем здесь причина?

Рис. 1.1. Явление молнии

Физика основывается на фактах, полученных в результате наблюдений. Наблюдения часто бывают случайными, но факты добывают в итоге целенаправленно проведенных экспериментов и исследований с использованием специальных приборов, проводя соответствующие измерения. Полученные факты анализируют и пытаются объяснить. Так появляются предположения, которые в науке называют гипотезами. Проверенные многими исследователями гипотезы становятся теориями.

Физики изучают явления природы, используя разнообразные приборы, и объясняют их физическими теориями.

Наблюдаем за небом:

Рис. 1.2. Телескопы:
а) оптический телескоп Галилея, б) зеркальный телескоп Ньютона, в) современный телескоп

Физические приборы, установленные на телескопах, позволяют измерять все эти физические величины. Первый оптический (линзовый) телескоп по-строил итальянский физик Галилео Галилей, а первый зеркальный телескоп – английский физик Исаак Ньютон. Физики научились расшифровывать информацию, которую приносит не только видимый свет, но и невидимое инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, радиоволны, а также рентгеновские и гамма-лучи.

Галактики

Современные телескопы (рис. 1.2) позволяют увидеть звездные системы – галактики, которые находятся от нас на огромных расстояниях. На рис. 1.3 изображена фотография нашей «соседки» – Галактики М 31, которая наблюдается в созвездии Андромеды.

При ясной погоде темной ночью на небе можно разглядеть светлую поло-су, которая тянется через весь небосклон – Млечный путь. Она содержит такое огромное количество звезд, что наш глаз их не различает. Это наша Галактика (или Млечный путь), которая насчитывает около 200 млрд. звезд и имеет диаметр 100 000 световых лет (световой год – это расстояние, преодолеваемое светом за один год). Этот своеобразный звездный диск делает один оборот в 250 млн. лет. Наша Солнечная система (Солнце и планеты, которые вращаются вокруг него) расположена довольно далеко от центра Галактики (около 26 000 световых лет).

Рис. 1.3. Галактика М 31 находится так далеко от нас, что свет от нее доходит к нам приблизительно за 2,8 млн. лет (за одну секунду свет преодолевает 300 000 км). Это одно из ближайших к нам звездных скоплений, и наша Галактика – Млечный путь (Galaxy – лат. «молоко») – очень на нее похожа

Расстояние от самых отдаленных галактик до нас свет преодолевает при-мерно за 14 млрд. лет. Это значит, что мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Таким образом, мощный телескоп, как своеобразная машина времени, дает возможность заглянуть в прошлое Вселенной.

Итоги:

Начальные сведения о строении вещества

Окружающий нас мир материален. Материя – это все то, что реально существует в природе и может быть выявлено человеком. В настоящее время различают два вида материи – вещество и поле. Вещество состоит из маленьких частиц – молекул, которые состоят из атомов. А те, в свою очередь, состоят из электронов, протонов и нейтронов. Поле осуществляет передачу взаимодействия между частицами, из которых состоит вещество. Поле действует на рас-стоянии, и его не видно. Но, например, если мы подпрыгнем, то гравитационное поле вернет нас назад.

История о неделимых атомах

В начале XX в. атомарная гипотеза была наконец математически доказана Альбертом Эйнштейном и Марианом Смолуховским, а также экспериментально обоснована Жаном Перреном.

Как видите, для установления того «простого» факта, что миллионы разных веществ состоят лишь из сотни разного «сорта» атомов, понадобилось около 2500 лет.

Атомы и молекулы

Рис. 2.1. Модель атома Э. Резерфорда

Числовые значения зарядов протона и электрона одинаковы. Это наименьшие электрические заряды, которые существуют в природе. Их называют элементарными. Количество протонов в ядре равняется количеству электронов, которые вращаются вокруг ядра, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Каждый атом имеет специальное наименование и обозначение (символ). Например: Гидроген (Н), Оксиген (О), Аурум (Au). Атомы разных видов отличаются своими химическими свойствами и массой. Сегодня известно 118 видов атомов, но мы знаем намного больше разных веществ. Почему так? Дело в том, что вещества по большей части состоят из молекул.

Молекулой называется наименьшая частица вещества, которая имеет его основные химические свойства и состоит из атомов.

Каждая молекула – это комбинация определенных атомов. Например: молекула воды состоит из двух атомов Гидрогена и одного атома Оксигена (Н₂О); молекула азота – из двух атомов Нитрогена (N₂).

Есть вещества, молекулы которых состоят из очень большого количества атомов (сотни и даже тысячи). Это молекулы органических веществ. Одно из таких веществ – ДНК, молекулы которой передают наследственный код живых организмов (рис. 2.3). Внутри живой клетки ДНК содержитcя в свернутом состоянии. Если бы ее удалось вы-тянуть в линию, то она достигала бы двух метров.

Рис. 2.2 Модель атома Гидрогена, созданная Н. Бором

Рис. 2.3. Модель молекулы ДНК

Простые и сложные вещества

Простые вещества состоят исключительно из атомов одного химического элемента. Например: кислород состоит из двух атомов Оксигена (О₂), а озон – из трех атомов этого же Оксигена (О₃), золото – из одного атома Аурума.

Рис. 2.4. Схематическое изображение молекул простых веществ:
кислорода (а), озона (б) и сложного вещества – воды (в)

Промежутки между молекулами и атомами

Между молекулами и атомами существуют промежутки. Это легко доказать, проведя опыты.

Опыт №1:

Смешайте 100 мл воды и 100 мл спирта, определите объем смеси. Объем смеси будет меньше, чем 200 мл. Это происходит потому, что при смешивании молекулы воды проникают в промежутки между молекулами спирта.
Чтобы представить, как это происходит, можно провести еще один опыт.

Опыт №2:

Насыпьте в стакан пшена столько, чтобы он был заполнен наполовину. Добавьте столько же гороха. Стакан заполнен до краев. А теперь осторожно перемешайте горох с пшеном и обратите внимание на общий объем смеси – он уменьшился.

Размеры атомов и молекул

Молекулы и атомы очень малы. Их размеры составляют приблизительно 10 –10 м (0,000 000 000 1 м). Размер молекулы воды, например, 3х10 –10 м (0,000 000 000 3 м). Если представить, что молекулу воды увеличили до раз-мера яблока, то величина яблока будет сравнима с размерами Земли. В одной чайной ложке воды приблизительно столько же молекул Н₂О, сколько чайных ложек воды в Мировом океане (всех вместе взятых морях и океанах Земли).

Размер ядра атома приблизительно в 10 000 раз меньше, чем размер атома. Между ядром и электронами есть незаполненное пространство – вакуум (пустота). Но там действует электрическое поле.

Волновая природа материи

Планетарная модель, схематически изображенная на рис. 2.5, несколько упрощает строение атома. Расчеты показали, что электрон в атоме Гидрогена должен за одну миллионную долю секунды сделать миллиард оборотов вокруг ядра, то есть в приемлемом для нас масштабе времени электрон должен был бы почти одновременно находиться во всех точках своей траектории.

Рис. 2.5. Планетарная модель атома

Квантовая механика уточнила представление ученых об атоме. Электроны атомных оболочек согласно новой теории уже больше напоминают волны и образуют так называемое электронное облако. На рис. 2.6 синим цветом изображена область электронного облака, где вероятность пребывания электронов наибольшая, а старая орбита – это просто место, где электроны бывают чаще всего. Взаимодействие ядра и электронного облака в атоме осуществляется через электрическое поле, которое по своей силе во много раз превосходит поле молнии.

Итоги:

Атомно-молекулярное учение. Молекулярно-кинетическая теория (МКТ)

Если бы случилась мировая катастрофа и все научные знания оказались бы уничтоженными, будущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза. Какое утверждение с наименьшим количеством слов несло бы больше всего информации? Этот вопрос задал своим слушателям на лекции известный физик Ричард Фейнман.

Многие ученые считают именно такие утверждения очень важным:
Все тела состоят из маленьких частиц (атомов), которые непрерывно и беспорядочно двигаются и взаимодействуют между собой.

Эти утверждения являются основными положениями атомно-молекулярного учения. Доказать их истинность сейчас нетрудно.
Фото атомов и молекул, сделанные с помощью электронных микроскопов, говорят сами за себя.

Движение молекул и атомов

В 1990-х годах ученым удалось сконструировать электронный микро-скоп, который осуществляет съемку движения молекул газа в режиме реального времени. Подтверждением того, что молекулы и атомы находятся в постоянном движении, является такое интересное явление, как диффузия (от лат. diffusio – распространение, растекание) – процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого.

Рис. 3.1. Электронные микроскопы:
а) первый; б) современный сканирующий

Опыт №3:

Попросите товарища поставить на расстоянии 1 м флакон с духами. Определите, через какое время вы почувствуете запах.

Опыт №4:

Наберите в стакан холодной воды и капните туда 2–3 капли пищевого красителя. Определите, через какое время жидкость в стакане станет однородно окрашенной. Повторите опыт с горячей водой. Сравните полученные промежутки времени.

Эти и другие опыты свидетельствуют о том, что диффузия происходит в газах, жидкостях и даже твердых телах. Скорость диффузии зависит от скорости движения молекул вещества и промежутков между молекулами.

Явление диффузии очень распространено в природе. Благодаря ему происходит дыхание всех живых организмов. Кислород из воздуха попадает в водоемы и в почву.

Обмен питательными веществами в живом организме – это тоже диффузия.

Взаимодействие между молекулами и атомами

Все окружающие тела состоят из молекул и атомов. Но в одних эти молекулы свободно парят в пространстве, например, молекулы кислорода или угле-кислого газа в воздухе. А другие держатся «кучкой», вместе. Например, стол, шкаф, стакан с водой и тому подобное. Чтобы растянуть, разорвать эти тела на отдельные молекулы, надо приложить силу. Это происходит потому, что между молекулами и атомами существует взаимодействие. Они на малых расстояниях друг к другу притягиваются, а если их слишком прижать – будут отталкиваться.

Почему же осколки разбитой тарелки не скрепляются? Да потому, что при сжатии осколков только незначительная часть атомов приблизится на такое расстояние, чтобы подействовали силы притяжения. Однако этих сил будет недостаточно, чтобы удерживать осколки вместе. Чтобы заполнить промежутки между атомами и чтобы подействовало межатомное притяжение, используют клей.

Опыт №5:

Сложите два листа бумаги и поднимите один из них над столом. Второй лист соскользнет вниз.

Смочите водой оба листа и опять сложите их. Попробуйте поднять за кончик один из них. Второй лист, прилипнув к первому, поднимется вместе с ним.
Молекулы воды и бумаги приблизились настолько, что подействовало межмолекулярное притяжение.

Межмолекулярное (межатомное) отталкивание мешает нам сжать твердые тела и жидкости, потому что молекулы в них размещены довольно плотно. А газы достаточно легко сжимаются (до определенного предела), потому что у них есть «запас» расстояния между молекулами.

Опыт №6:

Наберите в шприц без иглы воды так, чтобы в нем не было воздуха. Плотно закройте пальцем отверстие для иглы и попробуйте сжать поршнем воду.
Повторите опыт, набрав в шприц воздух.
До какого предела удалось сжать воду и воздух?

В зависимости от силы взаимодействия между молекулами и атомами вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Знание атомно-молекулярного учения при-носит чрезвычайную пользу. Например, известно, что графит и алмаз состоят из одних и тех же атомов Карбона (рис. 3.2), но очень отличаются своими свойствами: графит мягкий, а алмаз – необычайно твердый. Когда исследователи поняли строение этих веществ, стало ясно, как можно из дешевого графита сделать алмаз. Со-временная обрабатывающая промышленность уже немыслима без инструмента, в котором используются искусственные алмазы.

Рис. 3.2. Графит и алмаз состоят из одинаковых атомов

Твердое, жидкое и газообразное состояния вещества

Вещество может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии, которые называют агрегатными состояниями. Охлаждая воду, получим при 0°С лед. Если нагревать лед, то при 0°С он начнет превращаться в воду. Доведенная до кипения вода начинает превращаться в пар (рис. 3.3). А если водяной пар привести в контакт с холодным телом, например, перед носиком кипящего чайника держать холодную ложку или тарелку, то увидим на этих предметах капельки воды, то есть пар осуществил обратное превращение.

Рис. 3.3. Во время кипения вода превращается в пар

Следовательно, в воде есть что-то такое, что не изменяется при ее переходе из жидкого со-стояния в твердое или газообразное. Дело в том, что лед, вода и водяной пар состоят из одних и тех же молекул, молекул Н₂О.
Если расплавить сталь, получится очень горячая жидкость. Охлаждая газ азот, входящий в состав воздуха, до минус 196°С, получим прозрачную и очень холодную жидкость. На рис. 3.4 показано, как кипящий жидкий азот из термоса переливают в стакан.

Рис. 3.4. Жидкий азот кипит при –196 °С

Каждое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Агрегатное состояние вещества зависит от температуры и от того, насколько сильно взаимодействуют молекулы.

В твердом теле молекулы (атомы) сильно взаимодействуют между собой, колеблются около своего места равновесия и образуют правильную пространственную структуру – кристалл. Поэтому твердые тела имеют определенную форму и объем (рис. 3.5). В твердом и жидком состоянии молекулы расположены почти впритык друг к другу. Взаимодействие молекул в жидкости достаточно сильное для того, чтобы они держались вместе как единое целое, но недостаточное для поддержания формы – жидкости текут. Жидкость в обычных условиях приобретает форму сосуда, в котором она находится, то есть сохраняет объем, но не имеет собственной формы (рис. 3.6)

Рис. 3.5. Модель твердого состояния

Рис. 3.6. Модель жидкого состояния

Газ не имеет ни формы, ни объема и полностью заполняет сосуд, в котором находится (рис. 3.7). Расстояние между молекулами вещества в газообразном состоянии приблизительно в десять раз больше, чем в жидком и твердом, поэтому из одного кубического сантиметра воды можно запросто получить один кубический дециметр водяного пара.

Рис. 3.7. Модель газообразного состояния

Итоги:

Зарождение и развитие физики как науки

Еще совсем недавно люди даже мечтать не могли о возможностях, которые имеют сейчас. Достижения в таких областях, как робототехника, искусственный интеллект, нанотехнологии, 3D-печать, генетика, биотехнология, сегодня стремительно взаимодополняются. Созданные или создающиеся умные системы: дома, фабрики, фермы и даже города — помогут в решении самых разных проблем человечества. Разумеется, все это не может не влиять на формирование мировоззрения современного человека. При этом следует всегда помнить, что новые открытия — это не только прогресс, но и огромная ответственность.

В современном мире — бурном, противоречивом и одновременно взаимозависимом — важно осознание того, что мир познаваем, что случайности не только спутывают и нарушают наши планы, но и создают новые возможности, что существуют неизменные ориентиры-инварианты, что по мере накопления знаний происходит разрушение «рамок» наших представлений. Предвидим ваш вопрос: а при чем здесь естественные науки? Надеемся, в конце 11 класса вы сами сможете на него ответить. А сейчас только отметим, что все эти выводы вытекают из истин, открытых естественными науками, ведь их закономерности и принципы носят глобальный характер и поэтому выходят за рамки собственно наук.

Какие этапы прошла физика в своем развитии:

История физики — это длинная история открытий, с каждым из которых углубляется понимание природы. За любым открытием стоит конкретный человек, а чаще группа людей, чьими усилиями физика как наука поднимается на новую ступень развития. Вы уже знаете немало имен людей, чья деятельность способствовала прогрессу физической науки. Попробуем систематизировать знания о естествоиспытателях и первооткрывателях неизвестного и проследим, как накапливались физические знания.

С конца XIX / начала XX в. В общей теории относительности А. Эйнштейн установил связь свойств пространства-времени с энергией и импульсом материальных тел. Ученый обобщил результаты работ И. Ньютона в области гравитационного взаимодействия, увязав его с кривизной пространства-времени. Фундамент квантовой механики в начале XX в. заложили М. Планк, А. Эйнштейн, Н. Бор, М. Борн.

С открытием А. Беккерелем радиоактивности началось развитие ядерной физики, что, в свою очередь, способствовало открытию новых источников энергии — атомной энергии и энергии ядерного синтеза. Открытия, сделанные при исследовании ядерных реакций, положили начало физике элементарных частиц. Современные представления о Большом взрыве, черных дырах, расширении Вселенной с ускорением, о темной энергии связаны с трудами Э. Хаббла, Р. Оппенгеймера, Х. Снайдера, Дж. Уилера, С. Хокинга и др.

Конец XVII в. — конец XIX / начало XX в.

Период начался построением первой физической (механической) картины мира (И. Ньютон) и продолжился бурным развитием области физики, связанной с использованием тепловых двигателей (Дж. Ватт, С. Карно). Изучение электрических и магнитных явлений (Ш. Кулон, А. Ампер, Г. Эрстед, М. Фарадей) завершается формулированием Дж. Максвеллом уравнений электромагнитного поля, ставших теоретической основой для современных электротехники и радиосвязи.

Физические тела

Физика изучает физические тела и физические явления.

Начнем с рассказа о физических телах.

«Тело» — одно из многих слов, которые часто употребляют как в повседневной жизни, так и в науке. Но значения этого слова разные. В повседневной жизни «телом» называют обычно тело живого существа. В науке же физическим телом, или просто телом, называют любой предмет, даже если он не имеет определенной формы — например, туман.

Тела разделяют на твердые тела, жидкости и газы. Так, при комнатной температуре камень является твердым телом, вода — жидкостью, а воздух — газом. Свойства твердых тел, жидкостей и газов мы рассмотрим далее.

Физические тела чрезвычайно разнообразны по своим свойствам.

Например, одни тела прозрачны, то есть сквозь них проходит свет, — таким телом является, скажем, стакан. Другие же тела непрозрачны — например, деревянная доска.

Некоторые тела проводят электрический ток — таковы все металлические предметы (электрический ток проводит также и ваше собственное тело, поэтому с электричеством надо быть осторожным!). Другие же тела не проводят ток — например, стеклянный стакан.

С некоторыми свойствами тел вы уже познакомились в курсе природоведения. Физические тела являются «действующими лицами» физических явлений, которые также чрезвычайно разнообразны. Физика изучает механические, тепловые, электрические, магнитные и оптические явления. Рассмотрим их подробнее.

Механические явления

Механические явления — это движение тел, то есть изменение их взаимного положения в пространстве, а также взаимодействие между телами. Механические явления встречаются нам буквально на каждом шагу, так как ходьба — это движение, при котором мы взаимодействуем с Землей. Движение и взаимодействие тел мы наблюдаем во время спортивных соревнований (рис. 1.5—1.7).

Движутся и взаимодействуют друг с другом почти все тела. Например, Земля движется вокруг Солнца, и они притягивают друг друга. За одну секунду Земля «пролетает» в космосе около 30 километров, при этом она еще и вращается вокруг собственной оси (рис. 1.8).

Тепловые явления

Тепловые явления — это нагревание и охлаждение тел, а также переходы вещества, из которого состоят тела, из одного состояния в другое (из газообразного в жидкое и наоборот, а также из жидкого в твердое и наоборот).

Тепловые явления очень распространены в природе и технике. Ими, например, обусловлен круговорот воды в природе (рис. 1.9). Вследствие нагревания солнечными лучами вода океанов и морей испаряется, то есть превращается в пар. Поднимаясь, пар расширяется и охлаждается, превращаясь в капельки воды или кристаллики льда. Они образуют тучи, из которых вода возвращается на Землю в виде дождя или снега.

Тепловые явления происходят и в тепловых двигателях, установленных в автомобилях и на электростанциях.

Ученые установили, что тепловые явления обусловлены движением и взаимодействием мельчайших частиц вещества, которые называют молекулами. Поэтому разделы физики, изучающие тепловые явления, называют молекулярной физикой и термодинамикой 1 . Их законы открыли в 19-м веке ученые разных стран.

Электрические и магнитные явления

Ярчайший пример природного электрического явления — молния, представляющая собой гигантский электрический разряд (рис. 1.10). Крохотные «молнии» проскакивают каждый раз в выключателе, когда вы, например, выключаете свет.

Электрические явления сегодня так распространены, что мы этого почти не замечаем: каждый день мы пользуемся электрическим освещением, транспортом (рис. 1.11), бытовыми электроприборами, компьютерами. Электрические явления обусловлены взаимодействием электрически заряженных тел или частиц вещества. Установлено, что существует два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Заряды одного типа (их называют одноименными) отталкиваются, а заряды разных типов (разноименные) притягиваются.

Примеры магнитных явлений — взаимодействие постоянных магнитов, а также притяжение магнитом железных и стальных предметов. Наглядный пример магнитного явления — движение стрелки компаса: она всегда поворачивается так, чтобы ее северный конец указывал на север (рис. 1.12). Эта странная «настойчивость» стрелки компаса когда-то очень удивила любознательного пятилетнего мальчика, которого звали Альбертом. Став знаменитым ученым, Альберт Эйнштейн 2 писал, что именно поведение стрелки компаса впервые вызвало в нем незабываемое чувство, что за вещами, которые мы видим, есть что-то еще, глубоко скрытое.

Поворот магнитной стрелки обусловлен взаимодействием двух магнитов: маленького — стрелки компаса и огромного — земного шара.

Во второй половине 19-го века было установлено, что электрические и магнитные явления тесно связаны друг с другом. Например, северное сияние (рис. 1.13) обусловлено тем, что летящие из космоса электрически заряженные частицы взаимодействуют с Землей как с магнитом.

Электрические и магнитные явления вместе называют электромагнитными. Благодаря им работают электростанции и электродвигатели, радиосвязь, телевидение (рис. 1.14), компьютеры (рис. 1.15).

Электромагнитные явления вызваны электромагнитным полем, пронизывающим все пространство вокруг нас. Благодаря электромагнитному полю мы видим, потому что свет является разновидностью электромагнитных волн. С помощью электромагнитных волн работает радиосвязь и телевидение. Разделы физики, которые изучают электрические и магнитные явления, называют электричеством и магнетизмом. Их законы открыли ученые нескольких стран.

Оптические явления

Оптическими, или световыми, явлениями называют явления, связанные со светом.

Об их распространенности и говорить не надо: куда бы мы ни посмотрели — всюду увидим оптические явления.

Так, мы видим предметы вокруг себя либо потому, что они излучают свет, либо потому, что они отражают свет. Например, Солнце (рис. 1.16) и лампы излучают свет, а Луна (рис. 1.17) не «светит» сама: глядя на нее, мы видим отраженный ею солнечный свет. Да и большинство окружающих предметов мы видим благодаря отражению света.

Лучше других отражает свет зеркальная поверхность (рис. 1.18): это всем хорошо известно (особенно девушкам).

Предметы не только отражают свет, но и поглощают его, нагреваясь при этом. Вы, наверное, замечали, что темную поверхность Солнце нагревает сильнее, чем светлую. Вызвано это тем, что темная поверхность сильнее поглощает свет. Окраска предметов, то есть все многообразие цветов предметов вокруг нас, обусловлена тем, что разные предметы по-разному отражают и поглощают свет. На границе двух прозрачных сред — например, воздуха и воды — свет изменяет направление распространения, то есть преломляется.

Наверное, красивейшим проявлением преломления и отражения света в природе является радуга (рис. 1.19). Ее можно наблюдать, когда после дождя сияет солнце, так как радуга возникает вследствие преломления и отражения солнечного света в крошечных капельках воды, висящих в воздухе после дождя.

Раздел физики, который изучает оптические явления, называют оптикой. Первые законы оптики открыли еще древнегреческие ученые. Подробнее о световых явлениях вы узнаете уже в этом учебном году.

Наблюдение — поиск закономерностей

Внимательно наблюдая природные явления, люди замечали в них некоторые закономерности. Так, день всегда сменяется ночью, а ночь — днем. После зимы всегда наступает весна, следом за ней — лето, а потом — осень. Грозы бывают обычно во время дождя, причем раскаты грома всегда слышны после того, как сверкнет молния.

Закономерно движется Солнце, даря жизнь всему живому: оно всегда восходит на востоке, а заходит на западе. А ночью закономерно движутся по небу Луна, звезды и планеты.

Стараясь объяснить эти закономерности, люди создавали красивые мифы о богах. Например, древние греки считали, что бог Солнца Гелиос в лучезарном венце каждый день едет по небу и льет животворные лучи на Землю, даря людям свет и тепло (рис. 2.1). Громы же и молнии посылает на Землю верховный бог Зевс-громовержец, когда он гневается.

Первый шаг к научному познанию природы сделал в 4-м веке до нашей эры древнегреческий ученый Аристотель. На основании наблюдений он пришел к выводу, что закономерности природных явлений — это проявления законов природы.

Свои взгляды Аристотель изложил в большой книге «Физика», что означает «Природа». И эта книга стала «учебником физики» для всего мира на целых два тысячелетия!

От наблюдений — к опытам

Исходя из своих наблюдений, Аристотель утверждал: чтобы тело двигалось, его надо постоянно «двигать», то есть толкать или тянуть. Так, тележка двигается только до тех пор, пока ее тянет лошадь (рис. 2.2). Листья на деревьях трепещут благодаря ветру: как только ветер стихает, листья сразу же замирают.

Тогда Галилей предположил, что скорость шара уменьшается из-за трения: чем меньше трение между шаром и поверхностью, тем дальше катится шар. Чтобы подтвердить свое предположение, Галилей перешел от наблюдений к опытам. Опыт 1 отличается от наблюдения тем, что, проводя опыт, ученый создает специальные условия протекания явлений природы. Например, Галилей в своих опытах старался максимально уменьшить трение между шаром и поверхностью.

Опыты действительно показали, что чем меньше трение между шаром и поверхностью, тем дальше катится шар (рис. 2.3). Галилей сделал из этого очень важный вывод: он предположил, что если бы на тело не действовали другие тела, оно двигалось бы с неизменной скоростью вечно! Так был открыт первый закон механики — закон инерции. Сегодня люди умеют значительно уменьшать трение, поэтому способность тел «сохранять движение» уже не вызывает сомнений (рис. 2.4).

Расскажем еще об одном опыте Галилея, которым он также опроверг одно из утверждений Аристотеля.

Основываясь на наблюдениях, Аристотель утверждал, что тяжелые тела падают всегда быстрее, чем легкие. Но Галилей подверг это сомнению, предположив, что различие в падении тела обусловлено только сопротивлением воздуха. Свое предположение Галилей решил проверить на опыте, бросив с большой высоты мушкетную пулю и пушечное ядро, потому что для этих предметов сопротивление воздуха сравнительно мало. Для проведения такого опыта идеально подходила наклонная башня в итальянском городе Пиза: с такой башни удобно бросать предметы вниз (рис. 2.5).

Опыт подтвердил предположение Галилея: брошенные одновременно пуля и ядро упали тоже практически одновременно (рис. 2.6), хотя ядро в сотни раз тяжелее пули! Этот опыт стал знаменитым, поскольку его считают «днем рождения» физики как опытной науки. А наклонная Пизанская башня, стоящая и поныне, стада символом опыта как главного мерила истины: предположение становится истиной только тогда, когда его подтверждает опыт.

Что такое научный метод

Галилей сделал за свою долгую жизнь много открытий, став одним из величайших ученых за всю историю человечества. Главное же его открытие — научный метод, которым и сегодня руководствуются ученые всего мира, изучая явления природы.

Научный метод основан на следующих принципах:

Так, вы уже знаете, что в своих опытах Галилей старался максимально уменьшить трение, чтобы выявить его влияние на движение тел. Научный эксперимент образно называют «вопросом к природе»: ставя опыт, ученый «спрашивает природу», анализируя же результаты опыта, он «читает ее ответ».

Проверим на опыте — могут ли тела одинаковой массы падать по-разному? Отпустим с некоторой высоты лист бумаги и такой же лист, смятый в комок. Комок упадет намного раньше, чем лист, хотя их массы одинаковы. Итак, опыт свидетельствует, что тела одинаковой массы могут падать по-разному!

Физические модели

Явления природы довольно сложны и к тому же взаимосвязаны. И во время опытов не всегда удается «выделить» какое-то одно явление «в чистом виде». Поэтому для того, чтобы лучше изучить природные явления и понять их причины, ученые часто рассматривают упрощенное представление о данном явлении — такое, в котором выделены только важнейшие его черты. Такое представление называют физической моделью явления.

Многие законы природы ученые открыли благодаря использованию физических моделей. В дальнейшем мы рассмотрим примеры таких моделей, а сейчас кратко опишем некоторые из них. Очень часто используемой моделью физического тела является материальная точка. Так называют тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь.

Например, изучая движение Земли вокруг Солнца, нашу планету можно считать материальной точкой, несмотря на ее огромный размер. А вот рассматривая суточное вращение Земли, ее нельзя считать материальной точкой: ведь точка не может вращаться вокруг себя!

Другим важным примером физической модели является луч света — так называют узкий пучок света, настолько узкий, что его шириной в данной задаче можно пренебречь. В главе «Световые явления» мы будем изучать распространение, отражение и преломление лучей света.

Там же мы познакомимся еще с одной физической моделью — точечным источником света. Так называют источник света, размеры которого намного меньше расстояния до него. Точечными источниками света для нас можно считать, например, очень далекие звезды.

А вот ближайшую к нам звезду, Солнце, мы не можем считать точечным источником света, хотя расстояние от Солнца до Земли более чем в 100 раз превышает диаметр Солнца. К этому мы еще вернемся.

Физика — наука о природе

В древности существовала только одна наука — она объединяла все знания о природе, которые накопило к тому времени человечество. В наши дни эта наука называется естествознанием.

Всё о физической науке

С течением времени объем научных знаний об окружающем мире неизмеримо увеличился, и естествознание разделилось на отдельные науки — биологию, химию, астрономию, географию и ряд других (рис. 1.1). Одной из частей естествознания является физика. Благодаря достижениям физической науки человечество обладает уникальными знаниями о структуре и поведении самых разнообразных объектов — от гигантских звезд до мельчайших частиц вещества — атомов и молекул.

Рис. 11. Физика, химия, география, биология берут свое начало от естествознания

Эти знания стали основой для создания новых технологий и приборов, которые помогают в работе врачам и строителям, путешественникам и земледельцам, облегчают нашу повседневную жизнь, открывают быстрый доступ к запасам информации, накопленным человечеством и т. п.

Чтобы понять, как далеко шагнуло вперед человечество, достаточно сравнить условия морских путешествий в глубокой древности и в наши дни (рис. 1.2).

В отличие от древнегреческих парусников, корабль XXI века имеет двигатель и не зависит от прихотей ветра. Современный капитан имеет подробную карту района плавания. Его судно оснащено спутниковой системой GPS, благодаря которой ему всегда известны местонахождение и курс. Сонар — устройство для зондирования морского дна — предупредит капитана о подводных скалах и рифах, а радар — о надводных опасностях (айсбергах и других судах) в условиях плохой видимости. В случае аварии капитан всегда может вызвать помощь по радио.

Очевидно, что с современным оснащением осуществлять морские путешествия стало намного безопаснее. А ведь все эти приборы, механизмы и устройства созданы благодаря знанию законов физики (рис. 1.3), к изучению которой вы сейчас приступаете.

Из чего состоит окружающий мир

Все, что нас окружает, ученые называют материей. Услышав слово «материя*, многие из вас представляют себе какую-то ткань — например джинсовую. Но для физиков это понятие намного шире. Ту материю, которую можно воспринять с помощью наших органов чувств (например, пощупать), называют веществом. Вещество — это и металлы, и пластики, и дерево, и воздух. О структуре и свойствах вещества вы узнаете, изучив раздел 2 этого учебника.
■ Определенная часть пространства, занятая веществом, называется физическим телом..

Так, физическими телами являются любые окружающие нас предметы: ручка, тетрадь,

Рис. 1.2. Древнегреческий герой Одиссей долгие годы не мог вернуться на родину. При каждой новой попытке буря забрасывала его корабль в неизвестное место. Капитан современной яхты доставил бы античного героя домой всего за несколько дней

Рис. 1.3, Благодаря знанию законов физики созданы технические средства, позволяющие за считанные секунды связаться с любой точкой мира

стол, дверь и т. д. Человек, дерево, облако, Солнце, Земля — это тоже примеры физических тел (рис. 1.4).

В XIX столетии ученые установили, что кроме вещества существует еще один вид материи, который невозможно «пощупать». Этот особый вид материи называется полем. С помощью поля — невидимых электромагнитных волн — мы имеем возможность связываться со своими собеседниками по мобильному телефону, капитан корабля — запросить спутник о координатах своего судна. С помощью подобных волн работают радио и телевидение. Еще одним примером электромагнитного поля является свет. С некоторыми свойствами света вы познакомитесь при изучении раздела 3.

Физические явления

Материя вокруг нас постоянно изменяется. Некоторые тела перемещаются относительно друг друга, часть из них сталкиваются и, возможно, разрушаются, из одних тел образуются другие. Перечень таких изменений можно продолжать и продолжать — недаром еще в глубокой древности философ Гераклит заметил: «Все течет, все меняется*. Изменения в окружающем нас мире, то есть в природе, ученые называют специальным термином — явления.

Восход и закат Солнца, сход снежной лавины, извержение вулкана, бег лошади, прыжок пантеры — все это примеры природных явлений (рис. 1.5).

Чтобы лучше понять сложные природные явления, ученые разделяют их на совокупность физических явлений — явлений, которые можно описать с помощью физических законов.

На рис. 1.6 показана совокупность физических явлений, образующих сложное природное явление — грозу. Так, молния — огромный электрический разряд — представляет собой электромагнитное явление. Если молния попадет в дерево, то оно вспыхнет и начнет выделять тепло — физики в таком случае говорят о тепловом явлении. Грохот грома и потрескивание пылающего дерева — звуковые явления.

Примеры некоторых физических явлений приведены в таблице. Взгляните, например, на первую строку таблицы. Что может быть общего между полетом ракеты, падением камня и вращением целой планеты? Ответ прост. Все приведенные в этой строке примеры явлений описываются одними и теми же законами — законами механического движения. С помощью этих законов можно вычислить координаты любого движущегося тела (будь то камень, ракета или планета) в любой интересующий нас момент времени.

Каждый из вас, снимая свитер или расчесывая волосы пластмассовым гребнем, наверняка обращал внимание на появляющиеся при этом крохотные искры. И эти искры, и могучий разряд молнии относятся к одним и тем же электромагнитным явлениям и, соответственно, подчиняются одним и тем же законам. Поэтому для изучения электромагнитных явлений не стоит дожидаться грозы. Достаточно изучить, как ведут себя безопасные искорки, чтобы понять, чего следует ждать от молнии и как избежать возможной опасности. Впервые такие исследования провел американский ученый Б. Франклин (1706—1790), который изобрел эффективное средство защиты от грозового разряда — молниеотвод.

Изучив физические явления по отдельности, ученые устанавливают их взаимосвязь. Так, разряд молнии (электромагнитное явление) обязательно сопровождается значительным повышением температуры в канале молнии (тепловое явление). Исследование этих явлений в их взаимосвязи позволило не только лучше понять природное явление — грозу, но и найти путь практического применения электромагнитных и тепловых явлений. Наверняка каждый из вас, проходя мимо строительной площадки, видел рабочих в защитных масках и ослепительные вспышки электросварки. Электросварка (способ соединения металлических деталей с помощью электрического разряда) — это и есть пример практического использования научных исследований.

Что изучает физика

Теперь, когда вы узнали, что собой представляют материя и физические явления, пришла пора определить, что же является предметом изучения физики. Эта наука изучает: структуру и свойства материи; физические явления и их взаимосвязь.

Окружающий нас мир состоит из материи. Существует два вида материи: вещество, из которого состоят все физические тела, и поле.

В мире, который нас окружает, постоянно происходят изменения. Эти изменения называются явлениями. Тепловые, световые, механические, звуковые, электромагнитные явления — все это примеры физических явлений. Предмет изучения физики — структура и свойства материи, физические явления и их взаимосвязь.

Научные методы изучения природы

Вы все еще очень молоды, однако у вас имеется определенный объем знаний. Например, вы самостоятельно и уже довольно давно установили, что ложка, если ее случайно уронить, обязательно упадет вниз, а не устремится вверх. Но уверены ли вы, что все из того, что вы знаете, является правильным? В данном параграфе вы найдете ответ на вопрос: каким образом ученые получают новые знания.

Отличия между наблюдениями и экспериментами

Основной задачей ученых-физиков является проведение физических исследований.

Физическое исследование — это целенаправленное изучение того или иного явления средствами физики.

Первым этапом физического исследования является наблюдение.
Наблюдение — это восприятие природы с целью получения первичных данных для дальнейшего анализа.

Если результаты наблюдений повторяются, то исследователь делает выводы. Приведем пример такого вывода: вода (жидкость), помещенная в морозильную камеру, через некоторое время обязательно превратится в лед (станет твердой).

Однако далеко не всегда выводы, полученные при помощи наблюдений, являются истинными. Посмотрите, например, на рис. 1.8. Синий отрезок кажется длиннее, чем красный. Вы можете взглянуть на рисунок несколько раз, предложить это сделать друзьям — и тем не менее вывод останется прежним. Если же после этого вы измерите длину отрезков линейкой, то убедитесь в том, что их длина совершенно одинакова.

Чтобы не делать подобных ошибочных выводов, ученые пользуются более сложными видами исследований, которые называются опытами, или экспериментами.

Эксперимент — это исследование физического явления в условиях, находящихся под контролем ученого, с целью более глубокого изучения этого явления (рис. 1.9).

Опыты (эксперименты) обычно сопровождаются различными измерениями. Ученые употребляют выражение «экспериментальные исследования*, когда говорят о серии последовательных опытов, направленных на изучение данного физического явления. Простейшие виды экспериментальных исследований — лабораторные работы — вы будете выполнять самостоятельно при изучении физики.

Этапы физических исследований

Для того чтобы перейти к экспериментальным исследованиям — более сложным, чем простые наблюдения, у исследователя должно возникнуть сомнение в истинности результатов исследования («не верю своим глазам!*).

В случае с отрезками (см. рис. 1.8) мы подсказали вам готовый ответ. Но если бы вы показали этот рисунок родителям, кто-либо из них обязательно заподозрил бы подвох и сказал: «А не обман ли это зрения? Ведь отрезки могут быть и одинаковыми!* Иначе говоря, ваш собеседник высказал бы гипотезу (предположение) об ошибочности простых наблюдений. И только после проведенного вами экспериментального исследования (измерения отрезков с помощью линейки), то есть после экспериментальной проверки гипотезы, вы установили истину: оба отрезка имеют одинаковую длину.

Случай с отрезками не требует длительных исследований, но иногда поиски истины длятся столетиями. Так, наблюдая за падением различных тел, ученые Древней Греции сделали вывод о том, что более тяжелые предметы падают на землю быстрее, чем легкие. Спустя две тысячи лет, в XVI столетии, выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей (1564— 1642) усомнился в справедливости выводов древних греков и выдвинул гипотезу о том, что более медленное падение легкого тела объясняется сопротивлением воздуха (рис. 1.10). Иными словами, если тела падают с одинаковой высоты, не встречая сопротивления воздуха, то, независимо от массы этих тел, они одновременно достигнут поверхности земли.

Рис. 1.12. Ньютон поместил золотую монету и птичье перо в стеклянную трубку и разместил ее вертикально, предоставляя телам возможность начать падение одновременно. Из-за сопротивления воздуха перо «безнадежно отстало» (а). Потом ученый выкачал воздух из трубки с помощью изобретенных к тому времени насосов (б). В последнем эксперименте два тела достигли дна трубки одновременно

Для подтверждения своей догадки Галилей провел исследования, использовав для них знаменитую Пизанскую башню (рис. 1.11, с. 13). С вершины этого сооружения он бросал мушкетную пулю и пушечное ядро, на движение которых, как мы сегодня знаем, сопротивление воздуха влияет незначительно. Результаты экспериментов подтвердили гипотезу ученого — оба предмета достигали земли практически одновременно.

Более точные эксперименты (рис. 1.12) были проведены знаменитым английским ученым Исааком Ньютоном (1643—1727). Но Ньютон не ограничился подтверждением выводов Галилея. Проанализировав полученные данные и сделав необходимые вычисления (сейчас такую работу мы называем теоретическими исследованиями), ученый предположил, что падение предметов на поверхность Земли и вращение планет Солнечной системы вокруг Солнца подчиняются одному закону. Чтобы обосновать это утверждение, Ньютон снова обратился к математике. В результате ученый открыл закон всемирного тяготения — создал новое знание.

После Галилея и Ньютона основными методами получения новых знаний стали теоретические и экспериментальные методы. Современные экспериментальные исследования невозможно представить без специально сконструированных сложных приборов. Некоторые из них имеют массу в десятки тысяч

Более точные эксперименты (рис. 1.12) были проведены знаменитым английским ученым Исааком Ньютоном (1643—1727). Но Ньютон не ограничился подтверждением выводов Галилея. Проанализировав полученные данные и сделав необходимые вычисления (сейчас такую работу мы называем теоретическими исследованиями), ученый предположил, что падение предметов на поверхность Земли и вращение планет Солнечной системы вокруг Солнца подчиняются одному закону. Чтобы обосновать это утверждение, Ньютон снова обратился к математике. В результате ученый открыл закон всемирного тяготения — создал новое знание.

После Галилея и Ньютона основными методами получения новых знаний стали теоретические и экспериментальные методы. Современные экспериментальные исследования невозможно представить без специально сконструированных сложных приборов.

Рис. 1.1 3. Гигантские ускорители заряженных частиц используются для изучения структуры материи

Рис.1.14. Этапы познания в физических исследованиях

Некоторые из них имеют массу в десятки тысяч тонн и размеры в несколько километров (рис. 1.13). В разработке новых теорий принимают участие сотни ученых, для теоретических расчетов применяются сверхмощные компьютеры. Однако даже в наши дни основные этапы получения новых знаний остаются неизменными.

Основными методами физических исследований являются теоретический и экспериментальный. Последовательность этапов физических исследований можно представить в виде спирали, состоящей из повторяющихся элементов (рис. 1.14). Попробуем совершить восхождение по этой спирали.

Нижний элемент показывает, что на определенном этапе ученые уже имеют определенный уровень знаний (знание). При помощи наблюдений и рассуждений исследователи убеждаются в необходимости его усовершенствования, проводят теоретические исследования, выдвигают гипотезу и подтверждают (или опровергают) ее путем экспериментальной проверки. Результатом становится новое знание.

Физические методы познания природы

Раньше люди ездили на тарантасах, запряженных лошадьми, жали серпами рожь, проводили вечера при свете лучин. А в сказках мечтали о чудесах: ковре-самолете, топоре-саморубе и многом другом. Стала ли сказка былью? Да. Сегодня люди летают на самолетах (рис. 1). Комбайны жнут рожь (рис. 2). Электропилы в считанные минуты спиливают деревья, энергосберегающие лампы освещают помещения. Разработаны современные радиолокационные установки (рис. 3). Мобильная связь расширила возможности общения людей друг с другом. Ракеты выводят на орбиту искусственные спутники Земли. Человек достиг космоса.

Все это стало возможным благодаря достижениям различных наук, одной из которых является физика.

Слово «физика» в переводе с греческого означает «природа». Физика — наука о природе. Природа — это вода, земля, воздух, леса, горы, животный и растительный мир и все, что нас окружает. Человек тоже является частью природы. Но происходящее в природе изучают и такие науки, как биология, биофизика, химия, астрономия, астрофизика, география, геология и др. Могут ли эти науки обойтись без физики? Нет, конечно. Например, на уроках биологии вы будете работать с микроскопом (рис. 4). Его устройство и принцип действия основаны на законах физики.

Но и другие науки помогают физике. Например, математика. С ее помощью описываются физические явления и законы. Математика позволяет установить связи между физическими величинами и представить их в виде формул и графиков.

Физика, являясь фундаментом техники, развивает ее. А техника создает приборы, позволяющие физике проникать в неразгаданные тайны природы, открывать новые явления.

Но какими бы умными ни были приборы, главное в развитии физики — это гениальность и упорный труд ученых всего мира. В процессе изучения предмета вы познакомитесь с именами и вкладом в физику многих выдающихся ученых, в том числе и белорусских.

Знания, полученные при изучении физики, пригодятся вам в повседневной жизни, поспособствуют развитию ваших интеллектуальных способностей. Они сформируют у вас научное представление об окружающем мире и помогут при выборе будущей профессии.

Главные выводы

Для любознательных:

До XIX в. не существовало самостоятельной профессии «физик». Этой наукой занимались врачи, математики, инженеры, философы и др.

За время своего существования физика раскрыла перед человеком многие тайны окружающего мира. В настоящее время интересы ученых, занимающихся этой наукой, простираются далеко за пределы Земли. Физики стремятся установить законы, на основе которых устроена Вселенная; найти планеты, пригодные для жизни.

Физическое тело, физическое явление, физическая величина

Оглянитесь вокруг себя. Вы увидите огромное многообразие предметов. Это люди, животные, деревья. Это телевизор, автомобиль, яблоко, камень, лампочка, карандаш и др. А что представляют собой эти предметы с точки зрения физики?

В физике любой предмет называют физическим телом. Чем отличаются друг от друга физические тела? Очень многим. Например, они могут состоять из разных веществ или у них могут быть различные объем и форма. Серебряная и золотая ложки (рис. 5) имеют одинаковые объем и форму, но состоят они из разных веществ — из серебра и из золота. Деревянные кубик и шарик (рис. 6) имеют разные объем и форму. Это разные физические тела, но изготовлены они из одного и того же вещества — древесины.

Кроме физических тел, есть еще физические поля. Их не всегда можно обнаружить с помощью органов чувств человека, однако легко выявить с помощью приборов. Примеры физических полей — поле вокруг магнита (рис. 7), поле вокруг наэлектризованного тела (рис. 8).

С физическими телами и полями могут происходить разнообразные изменения. Ложка, опущенная в горячий чай, нагревается. Вода в луже испаряется, а в холодный день замерзает. Лампа (рис. 9) излучает свет, девочка и собака бегут (движутся) (рис. 10). Магнит размагничивается, и его магнитное поле ослабевает. Нагревание, испарение, замерзание, излучение, движение, размагничивание и другие изменения, происходящие с физическими телами и полями, называются физическими явлениями.

Изучая физику, вы познакомитесь со многими физическими явлениями. Для описания свойств физических тел и физических явлений вводятся физические величины. Например, описать свойства деревянных шарика и кубика можно с помощью таких физических величин, как объем, масса. Движение (девочки, автомобиля и др.) как физическое явление описывается с использованием таких физических величин, как путь, скорость, промежуток времени. Обратите внимание на основной признак физической величины: ее можно измерить с помощью приборов или вычислить по формуле. Объем тела можно измерить мензуркой (мерным стаканом) с водой (рис. 11, а) или, измерив длину а (рис. 11, б) ширину b и высоту с линейкой, вычислить но формуле

В 7-м классе мы будем изучать в основном механические явления. Они связаны с движением тел и их взаимодействием.

Все физические величины имеют единицы измерения. О некоторых единицах измерения вы слышали много раз: килограмм, метр, секунда, киловатт и др. Более подробно с физическими величинами вы будете знакомиться в процессе изучения физики.

Главные выводы

Методы исследования в физике

За многие тысячелетия своего существования человечество накопило огромное количество знаний об окружающем мире. Например, научно доказано, что Земля вращается вокруг своей оси; что свет в большинстве случаев распространяется прямолинейно; что гроза есть электрический разряд и т. д. Но в результате чего и как появились эти и другие знания? Каков метод научного познания окружающего мира?

Метод научного познания окружающего мира включает несколько этапов. Первый из них это наблюдение явлений.

Наблюдение осуществляется с помощью органов чувств человека, а также с помощью приборов. Например, в результате повседневных наблюдений установлено, что непрозрачные тела в солнечный день дают тень (рис. 12). На основе дальнейших наблюдений были накоплены факты (результаты наблюдений), говорящие о том, что размеры тени изменяются в течение дня (рис. 13). Ее длина самая большая утром и вечером, а самая малая — в полдень. Как объяснить данные факты? Для этого выдвигается гипотеза (предположение, догадка). Если гипотеза верна, то из нее вытекают полезные следствия.

Гипотез может быть несколько. В рассмотренном примере гипотеза состоит в том, что свет распространяется прямолинейно. Гипотеза иногда может быть и ошибочной, неверной. Тогда выдвигается новая гипотеза.

Гипотеза объясняет известные факты и предсказывает новые, еще неизвестные. Например, что могут образовываться тень и полутень, если источников света несколько или источник один, но он большой (его размеры сравнимы с расстоянием до непрозрачного предмета, дающего тень). Далее следует заключительный этап научного познания — опыт, или экспериментальная проверка гипотезы. Опыты ставятся в лаборатории.

Опыты, проводимые с двумя источниками света (рис. 14) и с одним источником больших размеров (рис. 15), показали, что размеры тени, а также наличие тени и полутени полностью подтверждают гипотезу о прямолинейном распространении света.

Если гипотеза подтвердилась, то она становится законом. Гипотеза существует до тех пор, пока не появляются новые факты, которые ей противоречат. Схематически научный путь познания можно представить так, как показано на рисунке 16.

Главные выводы

Как физика изменяет мир

Физика повлияла на развитие цивилизации и ход мировой истории больше, чем любая другая наука, поскольку

Физика — основа научно-технического прогресса.

Пример применения физических открытий: история часов

Мы так привыкли к многочисленным применениям физических открытий, что уже не замечаем их, хотя встречаемся с ними каждый час и каждую минуту в буквальном смысле: ведь история часов — это замечательный пример истории применения физических открытий!

Первыми более или менее точными часами были маятниковые часы (рис. 6.1). В основе их действия лежит открытое Галилеем 1 в конце 16-го века свойство малых колебаний груза, подвешенного на нити или стержне: их период (промежуток времени, в течение которого происходит одно колебание) почти не зависит от размаха колебаний. Использовать эту особенность колебаний для создания часов догадался голландский физик Христиан Гюйгенс в 17-м веке.

Маятниковые часы были довольно точными, но весьма громоздкими. В 18-м веке появились пружинные часы, и мастера-часовщики смогли сделать их настолько маленькими, что их можно было носить в кармане и даже на руке (рис. 6.2). В пружинных часах колеблется тело, прикрепленное к пружине. В этом случае период колебаний также является практически неизменным: это обусловлено свойством силы упругости, открытой в 17-м веке английским физиком Робертом Гуком.

В 19-м веке были открыты законы электричества и магнетизма, благодаря чему в 20-м веке появились электрические часы, которые представляли собой, по сути, миниатюрные электродвигатели. Электрические часы не надо заводить: источником энергии является батарейка. Но точность электрических часов оставалась приблизительно такой же, как и маятниковых, — погрешность хода составляла около одной минуты в сутки.

Значительного повышения точности часов удалось достичь, когда во второй половине 20-го века физики открыли, что кристаллы кварца (распространенного минерала) колеблются под действием электрического поля. Период этих колебаний, как оказалось, остается неизменным с очень высокой точностью, благодаря чему были сконструированы кварцевые часы (рис. 6.3). Они намного надежнее и точнее механических и электрических: погрешность хода кварцевых часов составляет всего несколько минут в год! Поэтому сегодня самыми распространенными стали именно кварцевые часы (наручные и настенные).

Но несколько минут в год — далеко не граница достигнутой учеными точности: самыми точными сегодня являются атомные часы, действие которых основано на колебаниях атомов. Точность атомных часов кажется фантастической: погрешность хода составляет одну секунду за три миллиона лет! Вот почему именно атомные часы использовали для изготовления эталона секунды как единицы времени.

Новые источники энергии

Вы включили свет, и лампы в люстре засветились как бы «сами собой». Но для того, чтобы как по мановению руки волшебника комната в любой момент залилась светом, круглосуточно работают огромные электростанции — главные современные источники энергии.

Войдя в кухню, вы включили электрочайник — снова электричество! А ведь в современной квартире есть еще и электрические стиральная машина, фен, микроволновая печь и так далее (рис. 6.4). Причем в большинстве современных бытовых приборов использованы физические открытия, сделанные уже в 20-м веке.

Электричество движет поезда метро и железных дорог, трамваи, троллейбусы и эскалаторы. В оборудовании современных автомобилей также широко используют электричество.

Электричество стало основой всей современной техники — без него невозможно представить себе современное производство. Для производства и передачи электроэнергии используют открытые Фарадеем, Максвеллом и другими учеными законы электричества и магнетизма.

Источниками электрической энергии являются электростанции. Большинство электростанций сегодня — тепловые. На таких электростанциях тепловые двигатели (преимущественно паровые турбины) превращают внутреннюю энергию топлива в механическую энергию, которую потом генераторы электрического тока превращают в электрическую энергию. Кроме того, в разных странах (в том числе и в нашей) есть много гидроэлектростанций, о которых мы уже рассказывали.

С каждым годом все больше электроэнергии вырабатывают атомные электростанции, действие которых основано на законах ядерной физики, открытых в 20-м веке учеными разных стран. Первая такая электростанция была построена в середине 20-го века.

Новые средства связи

В школе или дома вы пользуетесь современными средствами связи, самым излюбленным из которых является, на верное, мобильный телефон. С его помощью почти из любого города и даже поселка нашей страны можно мгновенно установить связь с любым городом не только нашей страны, но и всего мира!

Современные средства связи появились благодаря физическим открытиям, многие из которых сделаны в течение последних десятилетий. С каждым годом промежуток времени между открытием и его применением сокращается, но открытия прежних веков исправно «работают» и сегодня! Например, спутники связи (рис. 6.5), обеспечивающие передачу и прием телефонных разговоров и телевизионных программ по всему миру, стали возможными благодаря тому, что в уже далеком 17-м веке английский физик Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, которому одинаково «подчиняются» и древние планеты, и современные спутники. Во всех современных приборах используют электричество, основные законы которого открыли еще в 19-м веке.

Наверное, вы дружите с компьютером? А он буквально начинен применениями физических открытий! Прежде всего это полупроводники — вещества, специально созданные человеком для потребностей техники. Используя полупроводники, сегодня на крохотном чипе размещают миллионы приборов! Появление полупроводников открыло путь к созданию мобильных телефонов, цифровых фотоаппаратов, видеокамер, лазерных проигрывателей (рис. 6.6). Открытие удивительных особенностей полупроводников сделали ученые нескольких стран, в том числе украинские ученые.

Выдающиеся ученые — наши соотечественники.

Современный мир трудно представить без Интернета — Всемирной сети. Видимо, в ближайшем будущем Интернет станет основным средством передачи информации. Для работы Интернета используют телефонные сети и спутники связи.

Охрана окружающей среды

Научно-технический прогресс значительно улучшил жизнь, но за все приходится платить — в том числе и за научно-технический прогресс. К сожалению, главные современные источники энергии — электростанции и двигатели автомобилей — сильно загрязняют окружающую среду.

Тепловые электростанции (рис. 6.7) выбрасывают в атмосферу огромное количество продуктов сгорания топлива. И сегодня это уже стало проблемой планетарного масштаба. Кроме того, запасы ископаемого топлива — газа, нефти, угля — не безграничны, и человечество уже сегодня ощущает их недостаток.

Гидроэлектростанции не выбрасывают в атмосферу продукты сгорания топлива, но и они наносят ущерб окружающей среде: чтобы создать необходимую для работы гидроэлектростанции разность уровней воды, приходится строить на реках высокие плотины, из-за чего возникают искусственные «моря», то есть огромные затопленные территории.

Атомные электростанции (рис. 6.8) значительно меньше загрязняют окружающую среду, чем тепловые, а запасов урана, который является «топливом» для них, хватит на несколько столетий. Но и атомные электростанции могут угрожать окружающей среде.

Во-первых, аварии на этих станциях особенно опасны, так как они могут сопровождаться выбросом радиоактивных веществ, что угрожает здоровью и жизни людей на большой территории. К сожалению, такие аварии случались во второй половине 20-го века в США, которая входила тогда в состав СССР.

Во-вторых, во время работы атомных электростанций образуются опасные радиоактивные отходы. Их надежное захоронение является сложной научно-технической проблемой, решение которой требует больших затрат.

Вот почему физики всего мира настойчиво ищут другие (так называемые «альтернативные») способы производства электроэнергии. Самым перспективным является термоядерный синтез — так называют процесс слияния атомных ядер, вследствие которого водород превращается в гелий. Именно такие процессы являются источником энергии Солнца. «Топливо» для электростанций, в которых будут гореть «земные солнца», можно добывать из морской воды, запасы которой практически неограниченны! Особая привлекательность таких электростанций заключается и в том, что они меньше загрязняют окружающую среду.

Но чтобы зажечь «земные солнца», нужны еще десятилетия напряженной творческой работы многих физиков и инженеров. Может, и вы со временем захотите принять в ней участие?

Важными для зашиты окружающей среды являются разработка электромобилей и замена ими обычных автомобилей, так как тепловые автомобильные двигатели сильно загрязняют атмосферу городов, особенно больших.

Итоги:

Творцы физической науки

История физики — это история открытий, каждое из которых углубляет наше понимание природы. Но за любым открытием стоит живой человек, а чаще группа людей, чьи усилия пробивают брешь в сте не неизвестности и незнания, поднимают науку на новую ступень раз вития. Кто же эти люди, чьи имена неразрывно связаны с прогрессом физической науки? Здесь мы назовем лишь немногих, но, продолжая изучение курса физики, вы познакомитесь с десятками прославленных исследователей природы и первооткрывателей неведомого.

Творцы классической физики

Имя древнегреческого ученого и философа Аристотеля (рис. 1.47) известно едва ли не каждому. В одном из своих главных трудов, который так и назывался — «Физика», Аристотель систематизировал знания о природе, которые были на то время, и таким образом положил начало первому этапу развития физической науки. Этот этап продолжался до конца XVI столетия.

Нельзя не назвать еще одного греческого мыслителя и инженера — Ар химеда (рис. 1.48). Он вошел в историю науки как автор закона, названного его именем. Об этом ученом сохранилось немало легенд. Согласно одной из них, толчком к открытию «закона Архимеда» стала необходимость решить задачу, поставленную перед Архимедом царем города Сиракузы Гиероном. Речь шла о том, чтобы выяснить содержание золота и серебра в сплаве, из которого была изготовлена корона царя. Еще одна легенда приписывает древнегреческому ученому и создателю сложных механизмов изречение: «Дайте мне точку опоры, и я переверну мир» (рис. 1.49).

Второй этап развития физики открывают труды Галилео Галилея (рис. 1.50) — великого итальянского физика и астронома, впервые применившего экспериментальный метод в науке. Свое первое крупное открытие ученый совершил в возрасте 19 лет. Наблюдая в храме за колебаниями подвешенной на цепи лампады и сравнивая их с частотой биения собственного пульса, он установил, что период колебаний лампады не зависит от их амплитуды. Это открытие позднее легло в основу конструкции механических часов.

Существует мнение, что большие открытия, формулировки новых законов — это результат работы маститых ученых, людей почтенного возраста. В действительности, как свидетельствует история науки, дело обстоит иначе: открытия часто совершаются совсем молодыми людьми. Так, уже в 25 лет Галилей стал профессором Пизанского университета, а спустя короткое время вывел законы свободного падения тел. Еще одним подтверждением может служить жизнь последователя Галилея Исаака Ньютона — гениального английского физика и математика, сформулировавшего три основных закона движения. Одно из величайших открытий за всю историю физики — закон все мирного тяготения — Ньютон сделал в возрасте 24 лет.

Невозможно представить современную жизнь без электричества. Но знаете ли вы, что теоретической основой всей электротехники и радиосвязи служат четыре знаменитых уравнения Джеймса Клерка Максвелла (рис. 1.51)? Свои первые исследования юный физик опубликовал, когда ему едва исполнилось 15 лет. А в 33 года Максвелл завершил один из важнейших трудов, в котором изложил основные понятия теории электромагнетизма.

Вплоть до начала XIX века ответ официальной науки на вопрос, чем отличается холодный суп от горячего, звучал примерно так: горячий суп содержит больше теплорода, чем холодный.

Звучит загадочно и ничего не объясняет. Но благодаря усилиям группы ученых того времени удалось пролить свет на природу тепловых явлений и объяснить процессы превращения тепла. Таким образом была создана теоретическая база для современных тепловых двигателей. Законченный вид этим теоретическим исследованиям придал в своих трудах Людвиг Больцман (рис. 1.52) — выдающийся австрийский физик-теоретик. Первая его работа увидела свет, когда Л. Больцману исполнилось 22 года, а последняя — спустя шесть лет (рис. 1.53).

К концу XIX века были открыты законы механики и электромагнетизма, заложен фундамент теории тепловых явлений. Именно тогда у многих ученых возникло убеждение, что развитие физики завершилось.

Создатели современной физики

Однако в 1905 году в немецком физическом журнале появилась статья неизвестного автора, сотрудника патентного бюро в Берне (Швейцария). Звали этого молодого человека Альберт Эйнштейн (рис. 1.54), и после этой публикации он стал самым знаменитым физиком на нашей планете. В его работе были изложены основы специальной теории относи тельности, которая заставила ученых во всем мире пересмотреть устаревшие взгляды на пространство и время, массу и энергию.

Так начался новый этап в развитии физической науки. На протяжении этого этапа полностью изменился характер физических исследований. Открытие радиоактивности и стремление проникнуть в тайны строения вещества привели к созданию квантовой теории. У истоков этого направления стояли такие выдающиеся ученые, как Эрнест Резерфорд (рис. 1.55) — действительный член всех академий наук мира (и этим все сказано!) и Нильс Бор (рис. 1.56) — датский физик, который в возрасте 28 лет совершил революцию в физике, создав теорию строения атома — основного «кирпичика» мироздания (рис. 1.57).

Зачем и как изучать физику

Древние ученые считали, что каждый человек с самого рождения ищет ответы на такие философские вопросы: что представляет собой окружающий мир, какую роль играет человек в этом мире, каковы взаимоотношения человека с окружающим миром?

На эти вопросы пытаются найти ответ все науки, а не только философия. Естественные науки являются основой построения научной картины мира, формируют мировоззрение человека, научный стиль мышления. Они являются основой преобразующей деятельности человека при создании техники и технологий, в совершенствовании познавательных возможностей человечества. Физика изучает явления природы, которые сравнительно легко наблюдаются, отображаются, анализируются. Ее законы и теории являются основой деятельности человека и общества в целом, а также фундаментом естественных наук.

Исторический путь познания сущности физического мира состоит в том, что вначале накапливаются факты, затем ученые их анализируют, систематизируют, высказывают идеи относительно их объяснения, проверяют истинность выдвинутых идей: таким путем создается теория.

На начальном этапе получения физических знаний первоочередное значение имеют наблюдения, эксперимент, практический опыт человека. Благодаря им к научным поискам приобщаются те, кто постигает физическую науку и способствует ее развитию и применению. Человечество осознало это давно. Уже в работах Уильяма Гильберта (1544-1603) и Галилео Галилея (1564-1642), которых по праву считают основоположниками физики как науки, указывалось на исключительное значение эксперимента в познании природы.
Эксперимент важен для ученого как подтверждение истинности полученного знания, а для тебя он имеет неоценимое значение в подготовке к предстоящим научным исследованиям, в выяснении области практического применения изучаемой науки. Проводя опыты, ты овладеваешь методами научного познания, которые необходимы человеку в процессе его познавательной деятельности. Как известно, физику условно делят на экспериментальную и теоретическую. По этому поводу Альберт Эйнштейн писал: «Мышление само по себе не ведет к знаниям о внешних объектах. Начальным пунктом всех исследований является чувственное восприятие. Истинность теоретического мышления достигается исключительно за счет связи его со всей суммой данных чувственного опыта».

Выполнение исследовательских работ, являющихся источником новых знаний, новой учебной информации, лучше всего развивает творческий потенциал тех, кто изучает физику и другие естественные науки. Понятно, что для этого следует научиться ставить цель исследования, находить соответствующие методы и средства исследования, планировать и выполнять опыты, обрабатывать их результаты, делать выводы и эффективно использовать приобретенные знания и умения.

Структура поисковой деятельности:

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник