1. Что изучает физика
2. Некоторые физические термины
3. Наблюдения и опыты
4. Физические величины и их измерение
5. Точность и погрешности измерений
6. Физика и техника
1. Что изучает физика
Слово «физика» происходит от греческого слова «фюзис», что означает природа. Оно впервые появилось в сочинениях одного из величайших мыслителей древности – Аристотеля, жившего в IV в. до нашей эры.
В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал в России первый учебник физики в переводе с немецкого языка.
Физика – одна из основных наук о природе.
Если внимательно приглядеться к происходящему в окружающем нас мире, то можно заметить, что в нем происходят разнообразные изменения, или явления.
Изменения, происходящие с телами и веществами в окружающем мире, называют явлениями.
Так, например, кусочек льда, внесенный в теплую комнату, начнет таять. Вода в чайнике, поставленном на огонь, закипит. Если по проволоке пропустить электрический ток, то она нагреется и может даже раскалиться докрасна (как в электрической лампочке).
Таяние льда, кипение воды, падение камня, нагревание проволоки током, ветер, гром – все это различные явления.
В физике изучают: механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые и световые явления. Все эти явления называют физическими.
Любые превращения вещества или про явления его свойств, происходящие без изменения состава вещества, называют физическими явлениями.
Может ли одна такая наука, как физика, изучить множество явлений?
Физика обладает необыкновенной особенностью. Изучая самые простые явления, можно вывести общие законы.
Например, изучая свободное падение шариков, имеющих разный размер, с различной высоты, можно установить законы, которые будут выполняться при падении других тел.
Задача физики состоит в том, чтобы открывать и изучать законы, которые связывают между собой различные физические явления, происходящие в природе.
Например, выяснено, что причиной падения на Землю различных тел является их притяжение Землей. Смена дня и ночи объясняется тем, что Земля вращается вокруг своей оси. Одна из причин возникновения ветра – неравномерное нагревание воздуха и т. д.
Изучением природы занимаются и другие науки: биология, химия, география, астрономия. Все эти науки применяют законы физики. Например, в географии они необходимы для объяснения климата рек, образования ветров и других явлений. В астрономии законы физики используют при изучении строения и развития небесных тел. 2. Некоторые физические термины
В физике, кроме обычных слов, используют специальные слова, или термины, обозначающие физические понятия. Некоторые из таких слов постепенно вошли в нашу разговорную речь. Например, такие, как «электричество», «энергия», «сила» и др.
В физике каждое из окружающих нас тел (песчинку, камень, Луну) принято называть физическим телом или просто телом.
Физические тела – это ручка, листок, капля воды, теннисный мяч и т. д.
Всякое тело имеет форму и объем.
Все то, из чего состоят физические тела, называют веществом. Железо, медь, резина, воздух, вода – все это различные вещества.
Вода – вещество, капля воды – физическое тело, алюминий – вещество, алюминиевая ложка – физическое тело.
Вещество – это один из видов материи. А словом «материя» в науке называют все, что есть во Вселенной.
Материя – это все то, что существует во Вселенной независимо от нашего сознания (небесные тела, растения, животные и др.).
Примерами другого вида материи являются свет, радиоволны. Нам известно, что радиоволны реально существуют, несмотря на то что мы их не видим.
Изучая физику, вы будете постоянно расширять свои знания, узнавать новые термины и тем самым постигать язык этой интересной науки. 3. Наблюдения и опыты
Многие знания получены людьми из собственных наблюдений. Для изучения какого-либо явления необходимо прежде всего наблюдать его и по возможности не один раз. Чтобы изучить такое явление, как падение тел на Землю, недостаточно один раз увидеть, как падает то или иное тело. Следует выяснить, будет ли разница в падении тела легкого и тяжелого. Одинаково ли падают тела различных размеров с разной высоты? Это можно узнать, если много раз наблюдать случаи падения тел.
Конечно, ждать, пока какое-либо тело упадет само, не стоит. Для этого берут разные тела и заставляют их падать. Тем самым вызывают явление падения тел, иными словами, проводят опыт. Во время опытов обычно выполняют измерения.
Опыты отличаются от наблюдений тем, что их проводят с определенной целью, по заранее обдуманному плану. Для составления такого плана лучше всего иметь предварительные догадки о том, как протекает явление, т. е. выдвинуть гипотезу.
Выдвигая ту или иную гипотезу, ученые с помощью физического эксперимента находят подтверждение физической теории или ее опровержение.
Чтобы получить научные знания об окружающем нас мире, необходимо обдумать и объяснить результаты проведенных опытов, найти причины наблюдаемых явлений, сделать выводы.
Известна легенда об итальянском ученом Г. Галилее. Для того чтобы изучить, как происходит падение тел, Галилей ронял разные шары с наклонной башни в г. Пизе. Проделав такие опыты, ученый получил подтверждение своей гипотезы и открыл закон падения тел.
Таким образом, источниками физических знаний являются наблюдения и опыты. 4. Физические величины и их измерение
В быту, технике, при изучении физических явлений часто приходится выполнять различные измерения. Так, например, изучая падение тела, необходимо измерить высоту, с которой падает тело, массу тела, его скорость, время падения. Высота, масса, скорость, время и т. д. являются физическими величинами. Физическую величину можно измерить.
Измерить какую-нибудь величину – это значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.
Так, например, измерить длину стола – значит сравнить ее с другой длиной, которая принята за единицу длины, например с метром.
Для каждой физической величины приняты свои единицы.
Для удобства все страны мира стремятся пользоваться одинаковыми единицами физических величин. С 1963 г. в России и других странах применяется Международная система единиц – СИ (система интернациональная). В этой системе основной единицей длины является метр (1 м), единицей времени – секунда (1 с), единицей массы – килограмм (1 кг).
Часто применяют единицы, которые в 10, 100, 1000 и т. д. раз больше принятых единиц (кратные). Эти единицы получили наименования с соответствующими приставками, взятыми из греческого языка. «Дека» – 10, «гекто» – 100, «кило» – 1000 и др.
Если используются единицы, которые в 10, 100 и 1000 и т. д. раз меньше принятых единиц (дольные), то применяют приставки, взятые из латинского языка. «Деци» – 0,1, «санти» – 0,01, «милли» – 0,001 и др.
Для проведения опытов необходимы приборы. Одни из них очень просты и предназначены для простых измерений. К таким приборам можно отнести: измерительную линейку, рулетку, измерительный цилиндр и др.
По мере развития физики приборы усложнялись и совершенствовались. Появились амперметры, вольтметры, секундомеры, термометры.
Измерительные приборы, как правило, имеют шкалу. Это значит, что на приборе нанесены штриховые деления, а рядом написаны значения величин, соответствующие делениям. Расстояния между двумя штрихами, возле которых написаны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены еще на несколько делений. Эти деления иногда не обозначены числами.
Определить, какому значению величины соответствует каждое самое малое деление, нетрудно. Так, например, возьмем измерительную линейку. Цифрами 1, 2, 3, 4 и т. д. обозначены расстояния между штрихами, которые разделены на 10 одинаковых делений. Следовательно, каждое деление (расстояние между ближайшими штрихами) соответствует 1 мм. Эта величина называется ценой деления шкалы прибора.
Перед тем как приступить к измерению физической величины, следует определить цену деления шкалы используемого прибора.
Для того чтобы определить цену деления, необходимо:
– найти два ближайших штриха шкалы, возле которых написаны значения величины;
– вычесть из большего значения меньшее и полученное число разделить на число делений, находящихся между ними.
Определим цену деления термометра.
Возьмем два штриха, около которых нанесены значения измеряемой величины (температуры).
Например, штрихи с обозначениями 10 °С и 20 °С. Расстояния между этими штрихами разделены на 10 делений. Следовательно, цена деления будет равна:
= 1 °С
Следовательно, термометр показывает 24 °С. 5. Точность и погрешность измерений
Всякое измерение может быть выполнено с большей или меньшей точностью.
В качестве примера рассмотрим измерение длины бруска демонстрационным метром с сантиметровыми делениями.
Вначале определим цену деления линейки. Она будет равна 1 см.
Если левый конец линейки совместить с нулевым штрихом, то правый будет находиться между 11 и 12 штрихами, но ближе к 11.
Какое из этих двух значений следует принять за длину бруска? Очевидно, то, которое ближе к истинному значению, т. е. 11 см.
Считая, что длина бруска 11 см, мы допустили неточность, так как брусок чуть длиннее 11 см.
В физике допускаемую при измерении неточность называют погрешностью измерений. Погрешность измерения не может быть больше цены деления измерительного прибора.
В нашем случае погрешность измерения бруска не превышает 1 см. Если такая точность измерений нас не удовлетворяет, то можно произвести измерения с большей точностью. Но тогда придется взять масштабную линейку с миллиметровыми делениями, т. е. с ценой деления 1 мм.
В этом случае длина бруска окажется равной 11,4 см.
Из этого примера видно, что точность измерений зависит от цены деления шкалы прибора.
Чем меньше цена деления, тем больше точность измерения. Точность измерения зависит также от правильного применения измерительного прибора, расположения глаза при отсчете по прибору.
Вследствие несовершенства измерительных приборов и наших органов чувств при любом измерении получаются лишь приближенные значения, несколько большие или меньшие истинного значения измеряемой величины.
Во время выполнения лабораторных работ или просто измерений следует считать, что: погрешность измерений равна половине цены деления шкалы измерительного прибора.
Измерим длину шариковой ручки. Нулевую отметку линейки совместим с одним концом ручки, а другой ее конец окажется вблизи 14 см. Цена деления линейки 1 мм, тогда погрешность измерения будет равна 0,5 мм или 0,05 см.
Следовательно, длину ручки можно записать в виде:
l = (14 ± 0,05) см,
где l – длина ручки.
Истинное значение длины ручки находится в интервале от 13,95 см до 14,05 см.
При записи величин, с учетом погрешности, следует пользоваться формулой:
А = а ± ?a,
где А – измеряемая величина, а – результат измерений, ?a – погрешность измерений (?- греч. буква «дельта»). 6. Физика и техника
Развитие физики сопровождалось изменением представлений людей об окружающем мире. Отказ от привычных взглядов, возникновение новых теорий, изучение физических явлений характерно для физики с момента зарождения этой науки до наших дней.
Важное значение имеют открытия в области физики для развития техники. Например, двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение автомобили, тепловозы, речные и морские суда, был создан на основе изучения тепловых явлений.
С развитием науки в технике за последние десятилетия произошли грандиозные изменения.
То, что раньше считалось научной фантастикой, сейчас является реальностью. Сегодня трудно представить нашу жизнь без видеомагнитофона, компьютера, мобильной и интернет-связи.
Современное кино, телевидение, радио, магнитная запись – все это возникло после того, как были изучены многие звуковые, световые и электрические явления.
В свою очередь, развитие техники влияет на развитие науки. Так, например, усовершенствованные машины, компьютеры, точные измерительные и другие приборы используются учеными при исследовании физических явлений. После того как были созданы современные приборы и ракеты, стало возможным глубже изучить космическое пространство.
Подобных примеров можно привести множество. Открытия, сделанные в науке, есть результат упорного труда многих ученых разных стран.
Рассмотрим некоторые этапы развития физики.
Возникновение физической теории связано с именем выдающегося английского физика и математика Исаака Ньютона. Обобщив результаты наблюдений и опытов своих предшественников (Н. Кеплера, Г. Галилея), Ньютон создал огромный труд «Математические начала натуральной философии ». В этой работе ученый изложил важнейшие законы механики, которые были названы его именем. Законы Ньютона привели к бурному развитию представлений о механическом движении.
Дальнейшее развитие физики определилось изучением тепловых и электромагнитных явлений. Стремление ученых проникнуть в глубь тепловых процессов привело к зарождению идей о молекулярном строении вещества.
Исследования электромагнитных явлений коренным образом изменило научную картину мира. Оказалось, что нас окружают физические тела и поля. Общую теорию электромагнитных явлений создал Джеймс Максвелл.
Теория Максвелла объяснила природу света и помогла разработке новых технических приборов и устройств, основанных на явлениях электромагнетизма.
Новый этап бурного развития физики начался в ХХ в. Возникли и стали развиваться новые направления: ядерная физика, физика элементарных частиц, физика твердого тела и др. Возросла роль физики и ее влияние на технический и социальный прогресс. Свой вклад в развитие современной физики внесли видные ученые России: Н. Г. Басов, П. Л. Капица, Л. Д. Ландау, Л. И. Мандельштам, А. М. Прохоров и др.
Ярким подтверждением связи науки и техники явился огромный прорыв в области изучения космоса. Так, 4 октября 1957 г. в нашей стране был запущен первый в мире искусственный спутник Земли, а 12 апреля 1961 г. Юрий Алексеевич Гагарин стал первым космонавтом. Его полет длился 1 ч 48 мин. 21 июля 1969 г. впервые была осуществлена посадка на Луну американского космического корабля с астронавтами на борту: Нейлом Армстронгом и Эдвином Олдрином. Большой вклад в научную и техническую разработку космических полетов сделал Сергей Павлович Королев.
Здесь названы лишь основные этапы развития физики и перечислены немногие из выдающихся людей науки, сделавших важные открытия, благодаря которым развивалась эта наука.
Самая распространенная жалоба школьника на трудность предмета звучит так: “Зачем мне эта дурацкая …. (тут можно поставить что угодно – физику, математику, историю, биологию), если я не собираюсь заниматься ей после школы?!”
Действительно, а нужно ли бедному ребеночку зубрить формулы и разбираться с законами Ньютона и Фарадея? Может, ну ее, эту пакость, займемся лучше чем-то интересным? Удивительно, но многие взрослые и сами не понимают, зачем учили физику в школе и искренне не видят связи между этой занимательной наукой и повседневной жизнью. Давайте же найдем эту связь!
Представьте себе свой обычный день. Вот вы встали с кровати, потянулись и посмотрели в зеркало. И законы физики заработали прямо с началом вашего дня!
Движение, отражение в зеркале, гравитация, которая заставляет вас идти по земле, а воду течь в раковину, а не вам в лицо, сила, которая требуется для того, чтобы поднять сумку или открыть дверь – все это физика.
Обратите внимание на лифт, легко и быстро поднимающий вас на нужный этаж, автомобиль или другой транспорт, компьютеры, планшеты и телефоны. Без физики все это никуда бы не поехало, не включилось и не заработало.
Развитие физики можно приравнять к прогрессу.
Сначала люди поняли законы оптики и изобрели простые очки, чтобы те, кто плохо видит, могли лучше ориентироваться, читать и писать. А затем на свете появились микроскопы, с помощью которых ученые сделали невероятные открытия в таких областях, как биология и медицина. И телескопы, в которые астрономы увидели планеты, звезды и целые галактики и смогли сделать выводы об устройстве Вселенной. Каждое открытие в физике помогает человечеству сделать новый шаг вперед.
Хорошо, скажете вы. Но ведь для всего перечисленного, для всех этих открытий и разработок существуют физики. То есть люди, сознательно выбравшие именно эту науку своей основной профессией. Причем же здесь остальные, да еще и гуманитарии? Им-то на что эти знания, если можно просто прочитать инструкцию к своему телефону и этого будет достаточно для его использования?
Мы уже писали, что в каждом гуманитарии может обнаружиться и технарь, но кроме этого, приведем несколько примеров из повседневной жизни, когда базовое знание физики может пригодиться каждому. Причем, разберем только один раздел физики, практически полностью созданный Исааком Ньютоном, – механику.
Движение, скорость, ускорение.
Итак, все во Вселенной постоянно двигается, включая нашу планету и землю, по которой мы ходим. А ходим мы почти ежедневно в разные места. Значит, мы постоянно рассчитываем, насколько быстро доберемся до театра, работы, друзей, чтобы не опоздать. Задачи на скорость мы решаем в средней школе в рамках курса математики, но на самом деле это базовая физика.
Теперь представьте, что вы выбираете машину. У вас есть желание получить резвый автомобиль, но вам нужно возить семью, поэтому размер тоже имеет значение. То есть резвый и большой. И как же понять, какой подойдет? На что вы обратите внимание? На ускорение, конечно! Есть такой параметр – постоянное ускорение, то есть разгон от 0 до 100 км за количество секунд. Так вот чем меньше время от 0 до 100, тем бодрее будет ваша машина на старте и виражах. И это подскажет вам физика!
Когда вы начинаете (и продолжаете) водить машину, кое-что из базового курса физики вам очень пригодится. Например, вы сами поймете, что резко тормозить на трассе при скорости 120 км/ч только потому, что вам внезапно захотелось полюбоваться красивым видом, пожалуй, не стоит.
Даже если за вами не едет на такой же скорости еще несколько автомобилей, водители которых могут не успеть среагировать. Просто при торможении ускорение отрицательное, поэтому всех, кто сидит в машине, резко бросает вперед. Поверьте, впивающиеся в тело ремни и растянутые шейные мышцы – это неприятно. Просто имейте в виду такое понятие из физики, как ускорение.
Сила тяготения, импульс и другие полезности.
Физика расскажет о законе тяготения. То есть мы уже и так знаем, что если бросить предмет, то он упадет на землю. Что это значит? Земля притягивает нас и все предметы. Мало того, планета Земля притягивает даже такой тяжелый космический предмет, как Луна. Заметим, что Луна не улетает по своей траектории и каждый вечер показывается людям. Также не зависают в воздухе любые штуки, которые мы в сердцах бросили на пол. На брошенные предметы действует еще и ускорение, потому что у Земли огромная сила притяжения. А также сила трения.
Поэтому, зная об этих законах, можно понять, что происходит, если человек прыгает с парашютом. Связана ли площадь парашюта связана с замедлением скорости падения? Может, стоит просить парашют побольше? Как действует импульс на коленки парашютиста, и почему нельзя приземляться на прямые ноги?
А как выбрать горные лыжи? Вы отлично катаетесь или только начинаете? Подумайте о трении, уточните именно эти параметры своих новых лыж. Если вы новичок, не знающий физики, то очень вероятна ошибка в выборе. Успеете ли вы остановиться?
Окей, вы не собираетесь прыгать с парашютом и ничего не хотите знать про горные лыжи.
Вернемся к повседневности. Вот перед вами гайка и гаечный ключ. За какую часть ключа нужно взяться, чтобы приложить к гайке максимальную силу? Те, кто изучал физику, возьмутся за ключ как можно дальше от гайки. Чтобы открыть тяжеленную дверь в старое здание, нужно давить на нее с самого краю, подальше от петель. Нужно ли рассказывать про рычаг и точку опоры, которой так не хватало Галилею?
Наверное, этих примеров пока достаточно для иллюстрации ежедневного присутствия физики в нашей жизни. И это была только механика! А ведь есть еще оптика, которую мы упоминали в начале статьи, и электричество с магнитными полями. И это мы скромно молчим про теорию относительности.
Поверьте, физика на базовом уровне необходима каждому, чтобы не выглядеть глупо и смешно в самых обычных ситуациях.
Я часто замечал, что мир вокруг нас устроен очень сложно, но, при более внимательном рассмотрении оказывается, что все достаточно просто. По крайней мере, как мне кажется. И виной тому обыкновенные физические законы, которые я изучал в школе. Да этим законам подчиняются все вокруг. Вот, например, взять снег, начинает немного теплеть и он покрывается коркой и рыхлеет. Вроде непонятно и странно. А достаточно немного подумать и все становится ясным. Днем температура повышается выше нуля градусов, становится тепло, снег под солнечными лучами начинает таять и превращаться в воду, проделывая канальчики в снежном слое. А ночью верхний подтаявший слой замерзает, превращаясь в лед. Вот и вся премудрость.
А посмотреть на автомобили, видно, что на льду они едут гораздо медленней и начинают тормозить перед светофором намного раньше. И тут видно, что действует физика. Сила, которая прижимает автомобили к земле, намного меньше из-за льда, поэтому, чтобы затормозить, нужно большее расстояние.
А дома, когда мама готовит горячий чай, а я опаздываю, то, чтобы он быстрее остыл, я быстро размешиваю его ложкой или переливаю из одной чашки в другую. Физика тут действует так: когда я переливаю чай, то он больше соприкасается с воздухом, отдает ему свое тепло, а значит, охлаждается. Так же происходит, когда я наливаю чай в блюдце. Холодный воздух встречается с горячим чаем и охлаждает его, чтобы их температура выровнялась.
Физические явления можно встретить и дома. Падает книга со стола (земля притягивает ее к себе), звонит телефон, и мы его слышим, вода кипит в чайнике, зажигается электрическая лампочка, включается и работает компьютер. Везде работают законы физики.
Я часто замечал, что мир вокруг нас устроен очень сложно, но, при более внимательном рассмотрении оказывается, что все достаточно просто. По крайней мере, как мне кажется. И виной тому обыкновенные физические законы, которые я изучал в школе. Да этим законам подчиняются все вокруг. Вот, например, взять снег, начинает немного теплеть и он покрывается коркой и рыхлеет. Вроде непонятно и странно. А достаточно немного подумать и все становится ясным. Днем температура повышается выше нуля градусов, становится тепло, снег под солнечными лучами начинает таять и превращаться в воду, проделывая канальчики в снежном слое. А ночью верхний подтаявший слой замерзает, превращаясь в лед. Вот и вся премудрость.
А посмотреть на автомобили, видно, что на льду они едут гораздо медленней и начинают тормозить перед светофором намного раньше. И тут видно, что действует физика. Сила, которая прижимает автомобили к земле, намного меньше из-за льда, поэтому, чтобы затормозить, нужно большее расстояние.
А дома, когда мама готовит горячий чай, а я опаздываю, то, чтобы он быстрее остыл, я быстро размешиваю его ложкой или переливаю из одной чашки в другую. Физика тут действует так: когда я переливаю чай, то он больше соприкасается с воздухом, отдает ему свое тепло, а значит, охлаждается. Так же происходит, когда я наливаю чай в блюдце. Холодный воздух встречается с горячим чаем и охлаждает его, чтобы их температура выровнялась.
Физические явления можно встретить и дома. Падает книга со стола (земля притягивает ее к себе), звонит телефон, и мы его слышим, вода кипит в чайнике, зажигается электрическая лампочка, включается и работает компьютер. Везде работают законы физики.
Если хорошо присмотреться, можно заметить влияние физики на все что угодно, что происходит вокруг нас. Идет дождь, влага собирается в облака. Течет вода из-под крана, работает вентилятор, да просто всего не перечесть, все происходит по законам физики, даже то, что мы дышим и едим. Что самое интересное, мы любые действия с предметами можем посчитать по определенным правилам и предсказать, что с ними произойдет дальше.
Поэтому, физическая наука очень важная, ее нужно изучать, чтобы можно было при помощи формул посчитать, что может произойти с любым нужным нам предметом.
ФИЗИКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
Говоря о роли физики, выделим три основных момента. Во-первых, физика является для человека важнейшим источником знаний об окружающем мире. Во-вторых, физика, непрерывно расширяя и многократно умножая возможности человека, обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. В-третьих, физика вносит существенный вклад в развитие духовного облика человека, формирует его мировоззрение, учит ориентироваться в шкале культурных ценностей. Поэтому будем говорить соответственно о научном, техническом и гуманитарном потенциалах физики.
Эти три потенциала содержались в физике всегда. Но особенно ярко и весомо они проявились в физике XX столетия, что и предопределило ту исключительно важную роль, какую стала играть физика в современном мире.
Физика как важнейший источник знаний об окружающем мире. Как известно, физика исследует наиболее общие свойства и формы движения материи. Она ищет ответы на вопросы: как устроен окружающий мир; каким законам подчиняются происходящие в нем явления и процессы? Стремясь познать «первоначала вещей» и «первопричины явлений», физика в процессе своего развития сформировала сначала механическую картину мира (XVII1—XIX вв.), затем электромагнитную картину (вторая половина XIX — начало XX в.) и, наконец, современную физическую картину мира (середина XX в.).
В начале нашего столетия была создана теория относительности — сначала специальная, а затем общая. Ее можно рассматривать как великолепное завершение комплекса интенсивно проводившихся в XIX столетии исследований, которые привели к созданию так называемой классической физики. Известный американский физик В. Вайскопф так охарактеризовал теорию относительности: «Это совершенно новый набор концепций, в рамках которых находят объединение механика, электродинамика и гравитация. Они принесли с собой новое восприятие таких понятий, как пространство и время. Эта совокупность идей в каком-то смысле является вершиной и синтезом физики XIX в. Они органически связаны с классическими традициями»
Тогда же, в начале века начала создаваться, а к концу первой трети столетия обрела достаточную стройность другая фундаментальная физическая теория XX в.— квантовая теория. Если теория относительности эффектно завершала предшествовавший этап развития физики, то квантовая теория, решительно порывая с классической физикой, открывала качественно новый этап в познании человеком материи. «Для квантовой теории характерен именно разрыв с классикой,— писал Вайскопф.— Это шаг в неизведанное, в мир явлений, которые не умещались в рамки идей физики XIX в. Надо было создать новые приемы мышления, чтобы понять мир атомов и молекул с его дискретными энергетическими состояниями и характерными особенностями спектров и химических связей»
Используя квантовую теорию, физики совершили в XX в. в буквальном смысле слова прорыв в понимании вопросов, касающихся моля и вещества, строения и свойств кристаллов, молекул, атомов, атомных ядер, взаимопревращений элементарных частиц. Возникли новые разделы физики, такие, как физика твердого тела, физика плазмы, атомная и молекулярная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. А в традиционных разделах, например оптике, появились совершенно новые главы: квантовая оптика, нелинейная оптика, голография и др.
Физика исследует фундаментальные закономерности явлений; это предопределяет ее ведущую роль во всем цикле естественно-математических наук. Ведущая роль физики особенно ярко выявилась именно в XX в. Один из наиболее убедительных примеров — объяснение периодической системы химических элементов на основе квантовомеханических представлений. На стыке физики и других естественных наук возникли новые научные дисциплины. Химическая физика исследует электронное строение атомов и молекул, физическую природу химических связей, кинетику химических реакций. Астрофизика изучает многообразие физических явлений во Вселенной; на широко применяет методы спектрального анализа и радиоастрономических наблюдений. В отдельные разделы астрофизики выделены: физика Солнца, физика планет, физика межзвездной среды и туманностей, физика звезд, космология. Биофизика рассматривает физические и физико-химические явления в живых организмах, влияние различных физических факторов на живые системы. В настоящее время из биофизики выделились самостоятельные направления биоэнергетика, фотобиология, радиобиология. Геофизика исследует внутреннее строение Земли, физические процессы, происходящие в ее оболочках. Различают физику твердой Земли, физику моря и физику атмосферы. Отметим также агрофизику, изучающую физические процессы в почве и растениях и разрабатывающую способы регулирования физических условий жизни сельскохозяйственных культур; петрофизику, исследующую связь физических свойств горных пород с их структурой и историей формирования; психофизику, рассматривающую количественные отношения между силой и характером раздражителя, с одной стороны, и интенсивностью раздражения — с другой.
Физика как основа научно-технического прогресса. Трудно переоценить роль фундаментальных физических исследований в развитии техники. Так, исследования тепловых явлений в XIX в. способствовали быстрому совершенствованию тепловых двигателей. Фундаментальные исследования в области электромагнетизма привели к возникновению и быстрому развитию электротехники. В первой половине XIX в. был создан телеграф, в середине века появились электрические осветители, а затем электродвигатели. Во второй половине XIX в. химические источники электрического тока
стали вытесняться электрогенераторами. Девятнадцатый век завершился триумфально: появился телефон, родилось радио, был создан автомобиль с бензиновым двигателем, в ряде столиц открылись линии метрополитена, зародилась авиация. В 1912 г. В. Я. Брюсов написал строки, в которых хорошо отразилось победное настроение тех лет:
Свершились все мечты, что были так далеки. Победный ум прошел за годы сотни миль. При электричестве пишу я эти строки, И у ворот, гудя, стоит автомобиль.
А между тем научно-технический прогресс только еще набирал темп; научно-техническая революция XX в. еще только назревала. Открытие электрона, создание и становление квантовой теории, возникновение атомной физики, а затем физики твердого тела — все это предопределило рождение и быстрое развитие электроники. Сначала возникла вакуумная электроника (электронные лампы, электронно-лучевые трубки); в 50-х годах стала развиваться полупроводниковая электроника (в 1948 г. был изобретен транзистор); в 60-х годах родилась микроэлектроника. Прогресс в области электроники привел к созданию совершенных систем радиосвязи, радиоуправления, радиолокации. Развивается телевидение, сменяются одно за другим поколения ЭВМ (растет их быстродействие, совершенствуется память, расширяются функциональные возможности), появляются промышленные роботы. В 1957 г. состоялся вывод на околоземную орбиту первого искусственного спутника Земли; 1961 г.— полет Ю. А. Гагарина — первого космонавта планеты; 1969 г.— первые люди на Луне. Нас почти уже не удивляют поразительные успехи космической техники. Мы привыкли к запускам искусственных спутников Земли (их число давно перевалило за тысячу); становятся все более привычными полеты космонавтов на пилотируемых космических кораблях, их многодневные вахты на орбитальных станциях. Мы познакомились с обратной стороной Луны, получили фотоснимки поверхности Венеры, Марса, Юпитера, кометы Галлея.
Фундаментальные исследования в области ядерной физики позволили вплотную приступить к решению одной из наиболее острых проблем — энергетической проблемы. Первые ядерные реакторы появились в 40-х годах, а в 1954 г. в СССР начала действовать первая в мире атомная электростанция — родилась ядерная энергетика. В настоящее время на Земле работает более трехсот АЭС; они дают около 20% всей производимой в мире электрической энергии. Развернуты интенсивные исследования по термоядерному синтезу; прокладываются пути к термоядерной энергетике.
Успехи в исследовании физики газового разряда и физики твердого тела, более глубокое понимание физики взаимодействия оптического излучения с веществом, использование принципов и методов радиофизики — все это предопределило развитие еще одного важного научно-технического направления — лазерной техники. Это направление возникло всего тридцать лет назад (первый лазер создан в 1960 г.), но уже сегодня лазеры находят широкое применение во многих областях практической деятельности человека. Лазерный луч выполняет разнообразные технологические операции (сваривает, режет, пробивает отверстия, закаливает, маркирует и т. д.), используется в качестве хирургического скальпеля, выполняет точнейшие измерения, трудится на строительных площадках и взлетно-посадочных полосах аэродромов, контролирует степень загрязнения атмосферы и океана. В ближайшей перспективе лазерная техника позволит реализовать в широких масштабах оптическую связь и оптическую обработку информации, произвести своеобразную революцию в химии (управление химическими процессами, получение новых веществ и, в частности, особо чистых веществ) и осуществить управляемый термоядерный синтез.
Говоря о связи между развитием физики и научно-техническим прогрессом, следует отметить, что эта связь двусторонняя. С одной стороны, достижения физики лежат в основе развития техники. С другой — повышение уровня техники создает условия для интенсификации физических исследований, делает возможным постановку принципиально новых исследований. В качестве примера можно указать на важнейшие исследования, выполняемые на ядерных реакторах или на ускорителях заряженных частиц.
Физика как важнейший компонент человеческой культуры. Воздействуя решающим образом на научно-технический прогресс, физика тем самым оказывает существенное влияние и на все стороны жизни общества, в частности на человеческую культуру. Однако в данном случае мы имеем в виду не это опосредствованное влияние физики на культуру, а влияние непосредственное, позволяющее говорить о самой физике как о компоненте культуры. Иными словами, речь идет о гуманитарном содержании самого предмета физики, которое связано с развитием мышления, формированием мировоззрения, воспитанием чувств. Мы имеем в виду органическую связь физики с развитием общественного сознания, с воспитанием определенного отношения к окружающему миру.
Утверждая материалистическую диалектику, физика XX в. открыла ряд исключительно важных истин, значимость которых выходит за рамки самой физики, истин, ставших общечеловеческим достоянием. Во-первых, была доказана фундаментальность статистических закономерностей как соответствующих более глубокому этапу (по сравнению с закономерностями динамическими) в процессе познания мира. Было показано, что вероятностная форма причинности является основной, а жесткая, однозначная причинность есть не более чем частный случай. Физика предоставила нам уникальную возможность: на основе статистических теорий рассмотреть количественно диалектику необходимого и случайного. Выходя за рамки собственных задач, современная физика показала, что случайность не только путает и нарушает наши планы, но и может нас обогащать, создавая новые возможности.
Во-вторых, физика XX в. продемонстрировала всеобщность принципа симметрии, заставила значительно глубже взглянуть на симметрию, расширив это понятие за рамки геометрических представлений, а главное, рассмотрела диалектику симметрии и асимметрии, связав ее с диалектикой общего и различного, сохранения и изменения. Был поставлен вопрос о симметрии-асимметрии физических законов, в связи с чем была выявлена особая роль законов сохранения. Выходя за рамки собственных задач, физика наглядно показала, что симметрия ограничивает число возможных вариантов структур или вариантов поведения систем. Это обстоятельство исключительно важно, так как дает возможность во многих случаях находить решение как результат выявления единственно возможного варианта, без выяснения подробностей (решение из соображений симметрии).
В-третьих, физика XX в. показала, что по мере углубления наших знаний происходит постепенное стирание граней, разрушение перегородок. Так, стирается грань между корпускулярным и волновым движениями, между веществом и полем. Оказалось, что как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц и, более того, пустота — это вовсе не пустота в обычном понимании, а физический вакуум, «наполненный» виртуальными частицами. Нормой поведения для частиц, рассматриваемых в современной физике, являются взаимопревращения, поэтому мир предстает перед нами как единое целое. В этом мире понятие полностью изолированного объекта по сути дела отсутствует. Здесь уместно напомнить известное ленинское замечание, что в природе нет абсолютных граней – , что «все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи»
В-четвертых, современная физика подарила нам принцип соответствия. Он возник в квантовой механике на этапе ее начального развития, но затем превратился в общий методологический принцип, отражающий диалектику процесса познания мира. Он демонстрирует важное положение диалектики: процесс познания — это процесс постепенного и бесконечного приближения к абсолютной истине через последовательность относительных истин. Принцип соответствия показывает, как именно в физике реализуется указанный процесс приближения к истине. Это не механическое добавление новых фактов к уже известным, а процесс последовательного обобщения, когда новое отрицает старое, но отрицает не просто, а с удержанием всего того положительного, что было накоплено в старом. «Изучение физики дает возможность показать, что все физические представления и теории отражают объективную реальность лишь приближенно, что наши представления о мире непрерывно углубляются и расширяются, что процесс познания материального мира бесконечен»
Наши представления о мире… Нет необходимости доказывать, что современное миропонимание — важный компонент человеческой культуры. Каждый культурный человек должен хотя бы в общих чертax представлять, как устроен мир, в котором он живет. Это необходимо не только для общего развития. Любовь к природе предполагает уважение к происходящим в ней процессам, а для этого надо понимать, по каким законам они совершаются. Мы имеем много поучительных примеров, когда природа наказывала нас за наше невежество; пора научиться извлекать из этого уроки. Нельзя также сбывать, что именно знание законов природы есть эффективное оружие борьбы с мистическими представлениями, есть фундамент атеистического воспитания.
Современная физика вносит существенный вклад в выработку нового стиля мышления, который можно назвать планетарным мышлением. Она обращается к проблемам, имеющим большое значение для всех стран и народов. Сюда относятся, например, проблемы солнечно-земных связей, касающиеся воздействия солнечных излучений на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли; прогнозы физической картины мира после ядерной катастрофы, если таковая разразится; глобальные экологические проблемы, связанные с загрязнением Мирового океана и земной атмосферы.
В заключение отметим, что, воздействуя на самый характер мышления, помогая ориентироваться в шкале жизненных ценностей, физика способствует, в конечном счете, выработке адекватного отношения к окружающему миру и, в частности, активной жизненной позиции. Любому человеку важно знать, что мир в принципе познаваем, что случайность не всегда вредна, что нужно и можно ориентироваться и работать в мире, насыщенном случайностями, что в этом изменяющемся мире есть тем не менее «опорные точки», инварианты (что бы ни менялось, а энергия сохраняется), что по мере углубления знаний картина неизбежно усложняется, становится диалектичнее, так что вчерашние «перегородки» более не годятся.
Мы убеждаемся, таким образом, что современная физика действительно содержит в себе мощный гуманитарный потенциал. Можно не считать слишком большим преувеличением слова американского физика И. Раби: «Физика составляет сердцевину гуманитарного образования нашего времени»
Эссе на тему:
«Моё отношение к физике»
Моё первое подробное знакомство с физикой произошло в седьмом классе, когда в наше школьное расписание ввели этот замечательный предмет. Самые первые занятия физикой меня очень заинтересовали, и в дальнейшем я стала изучать её с огромным удовольствием. До того момента я лишь листала объёмные книги на физическую тематику.
Ещё с детских лет я очень любила узнавать происхождение различных явлений, а также быть в курсе устройства некоторых механизмов и систем. Любознательность школьника, упорство и стремление познать в совершенстве окружающий мир помогли мне привить любовь к этой науке.
Шло время, менялись интересы, школа открывала для меня новые учебные дисциплины, но интерес к физике не угас и по сей день. Простые теоретические формулировки физических явлений сменялись более сложными законами. С начала курса физики поставлены десятки опытов и исследований, выведены сотни формул, решены тысячи задач, но постижение этой науки, ещё не закончено.
Моим наставником в изучении физики стала Смирнова Светлана Александровна. Именно благодаря её знаниям и преподавательскому мастерству даже самые сложные темы были легко усвоены. Прилежное отношение педагога к своему уроку и огромное терпение играют свою позитивную роль в учебном процессе.
На мой взгляд, физические знания полезны для человека. Физика в большей мере, чем любая из естественных наук расширила границы человеческого познания. В школе физика должна рассматриваться как один из предметов, выполняющих не только познавательную, но также развивающую и воспитательную функции, так как она содержит огромный потенциал, имеющий непосредственное отношение к развитию мышления и развитию духовности.
Астапова Татьяна, ученица 11 класса
МКОУ Лебедёвской СОШ
Если бы не физика и люди, интересующиеся взаимосвязью всего материального в мире, не было бы до сих пор изучено электричество, жили бы до сих пор при свете костра и звезд, не было бы интернета — без которого теперь немыслимы даже самые простые действия. Люди, которые отдали свою жизнь на изучение физической науки, совершают новые открытия, создают прочнейшие материалы, обладающие невероятными свойствами, машины, с операционной системой ультра скоростного действия. Благодаря физике стали возможными исследования работы человеческого мозга, вирусов, в хирургии- пересадка органов, в космической сфере- создание аппаратов для внеземных наблюдений.
Распространенное и в основном мужское онкозаболевание, чем женское — это рак мочевого пузыря. Особенность: часто встречается у заядлых курильщиков. Кроме курения, образованию и распространению опухоли способствуют алкоголизм, папилломы, цистит, анилиновые красители. Лечение рака мочевого пузыря в Израиле проходит успешно в 95 % случаев, это конец злокачественных страданий (по ссылке можно познакомиться более подробно).
Элементарная физика
Существование и назначение физики, как таковой, само собой разумеется, для людей, увлеченных ею. Но у простых смертных, не искушенных науками и ленивых, появляется вопрос: ради чего утруждать себя какими- то анализами и лишними познаниями? Чем интересна физика, что в ней полезного для обыденной жизни? Ответ напрашивается в форме все того же вопроса: зачем человеку руки, птице крылья, рыбе хвост, а сороконожке аж сорок ног? Затем, что без них нельзя обойтись: определенные функции работают именно потому, что их работу обеспечивают специфические детали. Физика присутствует абсолютно во всем, каждый день человек живет по законам физики, наверное, единственному «кодексу» законов из всех возможных на планете. Приготовление пищи, принятие ванны, сон, езда на велосипеде, катание на коньках – от самого банального до будущей кибер-реальности. Закон Архимеда, гравитация, сила притяжения, плотность веществ, оптика и гидро-газо-динамика — совершенно обыденные явления, на которые уже даже внимания не обращают, и напрасно. Ведь физика — наука познания окружающего мира, осознания человеком самого себя, как части вселенной.
Физика во всем
Любой образованный и культурный человек должен разбираться в законах физики. Она способствует формированию верных заключений, причинно-следственных связей. Жалок и опасен тот, кто не в состоянии понять разницу между причиной и следствием. А детская любознательность? Стыдно, если в ответ на вопрос ребенка «почему», родитель только задумчиво промычит. И бизнесмену, и менеджеру, и строителю, и пекарю необходимо знать, понимать и учитывать законы физики, чтобы успешно справляться со своей работой. Даже простейшее рабочее оборудование было создано и функционирует благодаря физике.
Физика просто очень интересная наука, которая рассказывает и объясняет как все устроено в природе, каким законам подчиняется все на свете, в том числе и человек. Не зная физики невозможно понять, как двигается кровь по сосудам и капиллярам, не объяснить как дышит человек и зачем он питается. Не зная физики сложно представить как работает глаз или слышат уши. Конечно, если человек не знает как функционирует его организм это не значит,что он вдруг забудет как дышать и умрет, но ведь это просто интересно, понимать как все устроено. Физика может пригодиться чтобы узнать с какой скоростью мы едим на поезде или путешествуем пешком, физика объяснит как летает самолет и почему земля вращается вокруг солнца. В мире столько всего интересного и всем эти заведует именно физика. Зная принципы распространения тока, можно не бояться случайного поражения им, а при случае можно даже починить проводку. Зная физику можно прочистить слив в раковине и даже определить какое яйцо вареное, а какое сырое. Это опять-таки не значит, что мы во многих случаях применяем законы физики осознанно, но если их знать, то можно это делать во много эффективнее. Так что физика очень полезная наука, без которой ни туда и ни сюда.
Ответ оставил Гость
Я часто замечал, что мир вокруг нас устроен очень сложно, но, при более внимательном рассмотрении оказывается, что все достаточно просто. По крайней мере, как мне кажется. И виной тому обыкновенные физические законы, которые я изучал в школе. Да этим законам подчиняются все вокруг. Вот, например, взять снег, начинает немного теплеть и он покрывается коркой и рыхлеет. Вроде непонятно и странно. А достаточно немного подумать и все становится ясным. Днем температура повышается выше нуля градусов, становится тепло, снег под солнечными лучами начинает таять и превращаться в воду, проделывая канальчики в снежном слое. А ночью верхний подтаявший слой замерзает, превращаясь в лед. Вот и вся премудрость.
А посмотреть на автомобили, видно, что на льду они едут гораздо медленней и начинают тормозить перед светофором намного раньше. И тут видно, что действует физика. Сила, которая прижимает автомобили к земле, намного меньше из-за льда, поэтому, чтобы затормозить, нужно большее расстояние.
А дома, когда мама готовит горячий чай, а я опаздываю, то, чтобы он быстрее остыл, я быстро размешиваю его ложкой или переливаю из одной чашки в другую. Физика тут действует так: когда я переливаю чай, то он больше соприкасается с воздухом, отдает ему свое тепло, а значит, охлаждается. Так же происходит, когда я наливаю чай в блюдце. Холодный воздух встречается с горячим чаем и охлаждает его, чтобы их температура выровнялась.
Физические явления можно встретить и дома. Падает книга со стола (земля притягивает ее к себе), звонит телефон, и мы его слышим, вода кипит в чайнике, зажигается электрическая лампочка, включается и работает компьютер. Везде работают законы физики.
Если хорошо присмотреться, можно заметить влияние физики на все что угодно, что происходит вокруг нас. Идет дождь, влага собирается в облака. Течет вода из-под крана, работает вентилятор, да просто всего не перечесть, все происходит по законам физики, даже то, что мы дышим и едим. Что самое интересное, мы любые действия с предметами можем посчитать по определенным правилам и предсказать, что с ними произойдет дальше.
Поэтому, физическая наука очень важная, ее нужно изучать, чтобы можно было при помощи формул посчитать, что может произойти с любым нужным нам предметом.
Содержание
1. Что изучает физика
2. Некоторые физические термины
3. Наблюдения и опыты
4. Физические величины и их измерение
5. Точность и погрешности измерений
6. Физика и техника
1. Что изучает физика
Слово «физика» происходит от греческого слова «фюзис», что означает природа. Оно впервые появилось в сочинениях одного из величайших мыслителей древности – Аристотеля, жившего в IV в. до нашей эры.
В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал в России первый учебник физики в переводе с немецкого языка.
Физика – одна из основных наук о природе.
Если внимательно приглядеться к происходящему в окружающем нас мире, то можно заметить, что в нем происходят разнообразные изменения, или явления.
Изменения, происходящие с телами и веществами в окружающем мире, называют явлениями.
Так, например, кусочек льда, внесенный в теплую комнату, начнет таять. Вода в чайнике, поставленном на огонь, закипит. Если по проволоке пропустить электрический ток, то она нагреется и может даже раскалиться докрасна (как в электрической лампочке).
Таяние льда, кипение воды, падение камня, нагревание проволоки током, ветер, гром – все это различные явления.
В физике изучают: механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые и световые явления. Все эти явления называют физическими.
Любые превращения вещества или про явления его свойств, происходящие без изменения состава вещества, называют физическими явлениями.
Может ли одна такая наука, как физика, изучить множество явлений?
Физика обладает необыкновенной особенностью. Изучая самые простые явления, можно вывести общие законы.
Например, изучая свободное падение шариков, имеющих разный размер, с различной высоты, можно установить законы, которые будут выполняться при падении других тел.
Задача физики состоит в том, чтобы открывать и изучать законы, которые связывают между собой различные физические явления, происходящие в природе.
Например, выяснено, что причиной падения на Землю различных тел является их притяжение Землей. Смена дня и ночи объясняется тем, что Земля вращается вокруг своей оси. Одна из причин возникновения ветра – неравномерное нагревание воздуха и т. д.
Изучением природы занимаются и другие науки: биология, химия, география, астрономия. Все эти науки применяют законы физики. Например, в географии они необходимы для объяснения климата рек, образования ветров и других явлений. В астрономии законы физики используют при изучении строения и развития небесных тел.
2. Некоторые физические термины
В физике, кроме обычных слов, используют специальные слова, или термины, обозначающие физические понятия. Некоторые из таких слов постепенно вошли в нашу разговорную речь. Например, такие, как «электричество», «энергия», «сила» и др.
В физике каждое из окружающих нас тел (песчинку, камень, Луну) принято называть физическим телом или просто телом.
Физические тела – это ручка, листок, капля воды, теннисный мяч и т. д.
Всякое тело имеет форму и объем.
Все то, из чего состоят физические тела, называют веществом. Железо, медь, резина, воздух, вода – все это различные вещества.
Вода – вещество, капля воды – физическое тело, алюминий – вещество, алюминиевая ложка – физическое тело.
Вещество – это один из видов материи. А словом «материя» в науке называют все, что есть во Вселенной.
Материя – это все то, что существует во Вселенной независимо от нашего сознания (небесные тела, растения, животные и др.).
Примерами другого вида материи являются свет, радиоволны. Нам известно, что радиоволны реально существуют, несмотря на то что мы их не видим.
Изучая физику, вы будете постоянно расширять свои знания, узнавать новые термины и тем самым постигать язык этой интересной науки.
3. Наблюдения и опыты
Многие знания получены людьми из собственных наблюдений. Для изучения какого-либо явления необходимо прежде всего наблюдать его и по возможности не один раз. Чтобы изучить такое явление, как падение тел на Землю, недостаточно один раз увидеть, как падает то или иное тело. Следует выяснить, будет ли разница в падении тела легкого и тяжелого. Одинаково ли падают тела различных размеров с разной высоты? Это можно узнать, если много раз наблюдать случаи падения тел.
Конечно, ждать, пока какое-либо тело упадет само, не стоит. Для этого берут разные тела и заставляют их падать. Тем самым вызывают явление падения тел, иными словами, проводят опыт. Во время опытов обычно выполняют измерения.
Опыты отличаются от наблюдений тем, что их проводят с определенной целью, по заранее обдуманному плану. Для составления такого плана лучше всего иметь предварительные догадки о том, как протекает явление, т. е. выдвинуть гипотезу.
Выдвигая ту или иную гипотезу, ученые с помощью физического эксперимента находят подтверждение физической теории или ее опровержение.
Чтобы получить научные знания об окружающем нас мире, необходимо обдумать и объяснить результаты проведенных опытов, найти причины наблюдаемых явлений, сделать выводы.
Известна легенда об итальянском ученом Г. Галилее. Для того чтобы изучить, как происходит падение тел, Галилей ронял разные шары с наклонной башни в г. Пизе. Проделав такие опыты, ученый получил подтверждение своей гипотезы и открыл закон падения тел.
Таким образом, источниками физических знаний являются наблюдения и опыты.
4. Физические величины и их измерение
В быту, технике, при изучении физических явлений часто приходится выполнять различные измерения. Так, например, изучая падение тела, необходимо измерить высоту, с которой падает тело, массу тела, его скорость, время падения. Высота, масса, скорость, время и т. д. являются физическими величинами. Физическую величину можно измерить.
Измерить какую-нибудь величину – это значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.
Так, например, измерить длину стола – значит сравнить ее с другой длиной, которая принята за единицу длины, например с метром.
Для каждой физической величины приняты свои единицы.
Для удобства все страны мира стремятся пользоваться одинаковыми единицами физических величин. С 1963 г. в России и других странах применяется Международная система единиц – СИ (система интернациональная). В этой системе основной единицей длины является метр (1 м), единицей времени – секунда (1 с), единицей массы – килограмм (1 кг).
Часто применяют единицы, которые в 10, 100, 1000 и т. д. раз больше принятых единиц (кратные). Эти единицы получили наименования с соответствующими приставками, взятыми из греческого языка. «Дека» – 10, «гекто» – 100, «кило» – 1000 и др.
Если используются единицы, которые в 10, 100 и 1000 и т. д. раз меньше принятых единиц (дольные), то применяют приставки, взятые из латинского языка. «Деци» – 0,1, «санти» – 0,01, «милли» – 0,001 и др.
Для проведения опытов необходимы приборы. Одни из них очень просты и предназначены для простых измерений. К таким приборам можно отнести: измерительную линейку, рулетку, измерительный цилиндр и др.
По мере развития физики приборы усложнялись и совершенствовались. Появились амперметры, вольтметры, секундомеры, термометры.
Измерительные приборы, как правило, имеют шкалу. Это значит, что на приборе нанесены штриховые деления, а рядом написаны значения величин, соответствующие делениям. Расстояния между двумя штрихами, возле которых написаны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены еще на несколько делений. Эти деления иногда не обозначены числами.
Определить, какому значению величины соответствует каждое самое малое деление, нетрудно. Так, например, возьмем измерительную линейку. Цифрами 1, 2, 3, 4 и т. д. обозначены расстояния между штрихами, которые разделены на 10 одинаковых делений. Следовательно, каждое деление (расстояние между ближайшими штрихами) соответствует 1 мм. Эта величина называется ценой деления шкалы прибора.
Перед тем как приступить к измерению физической величины, следует определить цену деления шкалы используемого прибора.
Для того чтобы определить цену деления, необходимо:
– найти два ближайших штриха шкалы, возле которых написаны значения величины;
– вычесть из большего значения меньшее и полученное число разделить на число делений, находящихся между ними.
Определим цену деления термометра.
Возьмем два штриха, около которых нанесены значения измеряемой величины (температуры).
Например, штрихи с обозначениями 10 °С и 20 °С. Расстояния между этими штрихами разделены на 10 делений. Следовательно, цена деления будет равна:
= 1 °С
Следовательно, термометр показывает 24 °С.
5. Точность и погрешность измерений
Всякое измерение может быть выполнено с большей или меньшей точностью.
В качестве примера рассмотрим измерение длины бруска демонстрационным метром с сантиметровыми делениями.
Вначале определим цену деления линейки. Она будет равна 1 см.
Если левый конец линейки совместить с нулевым штрихом, то правый будет находиться между 11 и 12 штрихами, но ближе к 11.
Какое из этих двух значений следует принять за длину бруска? Очевидно, то, которое ближе к истинному значению, т. е. 11 см.
Считая, что длина бруска 11 см, мы допустили неточность, так как брусок чуть длиннее 11 см.
В физике допускаемую при измерении неточность называют погрешностью измерений. Погрешность измерения не может быть больше цены деления измерительного прибора.
В нашем случае погрешность измерения бруска не превышает 1 см. Если такая точность измерений нас не удовлетворяет, то можно произвести измерения с большей точностью. Но тогда придется взять масштабную линейку с миллиметровыми делениями, т. е. с ценой деления 1 мм.
В этом случае длина бруска окажется равной 11,4 см.
Из этого примера видно, что точность измерений зависит от цены деления шкалы прибора.
Чем меньше цена деления, тем больше точность измерения. Точность измерения зависит также от правильного применения измерительного прибора, расположения глаза при отсчете по прибору.
Вследствие несовершенства измерительных приборов и наших органов чувств при любом измерении получаются лишь приближенные значения, несколько большие или меньшие истинного значения измеряемой величины.
Во время выполнения лабораторных работ или просто измерений следует считать, что: погрешность измерений равна половине цены деления шкалы измерительного прибора.
Измерим длину шариковой ручки. Нулевую отметку линейки совместим с одним концом ручки, а другой ее конец окажется вблизи 14 см. Цена деления линейки 1 мм, тогда погрешность измерения будет равна 0,5 мм или 0,05 см.
Следовательно, длину ручки можно записать в виде:
l = (14 ± 0,05) см,
где l – длина ручки.
Истинное значение длины ручки находится в интервале от 13,95 см до 14,05 см.
При записи величин, с учетом погрешности, следует пользоваться формулой:
А = а ± ?a,
где А – измеряемая величина, а – результат измерений, ?a – погрешность измерений (?- греч. буква «дельта»).
6. Физика и техника
Развитие физики сопровождалось изменением представлений людей об окружающем мире. Отказ от привычных взглядов, возникновение новых теорий, изучение физических явлений характерно для физики с момента зарождения этой науки до наших дней.
Важное значение имеют открытия в области физики для развития техники. Например, двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение автомобили, тепловозы, речные и морские суда, был создан на основе изучения тепловых явлений.
С развитием науки в технике за последние десятилетия произошли грандиозные изменения.
То, что раньше считалось научной фантастикой, сейчас является реальностью. Сегодня трудно представить нашу жизнь без видеомагнитофона, компьютера, мобильной и интернет-связи.
Современное кино, телевидение, радио, магнитная запись – все это возникло после того, как были изучены многие звуковые, световые и электрические явления.
В свою очередь, развитие техники влияет на развитие науки. Так, например, усовершенствованные машины, компьютеры, точные измерительные и другие приборы используются учеными при исследовании физических явлений. После того как были созданы современные приборы и ракеты, стало возможным глубже изучить космическое пространство.
Подобных примеров можно привести множество. Открытия, сделанные в науке, есть результат упорного труда многих ученых разных стран.
Рассмотрим некоторые этапы развития физики.
Возникновение физической теории связано с именем выдающегося английского физика и математика Исаака Ньютона. Обобщив результаты наблюдений и опытов своих предшественников (Н. Кеплера, Г. Галилея), Ньютон создал огромный труд «Математические начала натуральной философии ». В этой работе ученый изложил важнейшие законы механики, которые были названы его именем. Законы Ньютона привели к бурному развитию представлений о механическом движении.
Дальнейшее развитие физики определилось изучением тепловых и электромагнитных явлений. Стремление ученых проникнуть в глубь тепловых процессов привело к зарождению идей о молекулярном строении вещества.
Исследования электромагнитных явлений коренным образом изменило научную картину мира. Оказалось, что нас окружают физические тела и поля. Общую теорию электромагнитных явлений создал Джеймс Максвелл.
Теория Максвелла объяснила природу света и помогла разработке новых технических приборов и устройств, основанных на явлениях электромагнетизма.
Новый этап бурного развития физики начался в ХХ в. Возникли и стали развиваться новые направления: ядерная физика, физика элементарных частиц, физика твердого тела и др. Возросла роль физики и ее влияние на технический и социальный прогресс. Свой вклад в развитие современной физики внесли видные ученые России: Н. Г. Басов, П. Л. Капица, Л. Д. Ландау, Л. И. Мандельштам, А. М. Прохоров и др.
Ярким подтверждением связи науки и техники явился огромный прорыв в области изучения космоса. Так, 4 октября 1957 г. в нашей стране был запущен первый в мире искусственный спутник Земли, а 12 апреля 1961 г. Юрий Алексеевич Гагарин стал первым космонавтом. Его полет длился 1 ч 48 мин. 21 июля 1969 г. впервые была осуществлена посадка на Луну американского космического корабля с астронавтами на борту: Нейлом Армстронгом и Эдвином Олдрином. Большой вклад в научную и техническую разработку космических полетов сделал Сергей Павлович Королев.
Здесь названы лишь основные этапы развития физики и перечислены немногие из выдающихся людей науки, сделавших важные открытия, благодаря которым развивалась эта наука.
Самая распространенная жалоба школьника на трудность предмета звучит так: “Зачем мне эта дурацкая …. (тут можно поставить что угодно – физику, математику, историю, биологию), если я не собираюсь заниматься ей после школы?!”
Действительно, а нужно ли бедному ребеночку зубрить формулы и разбираться с законами Ньютона и Фарадея? Может, ну ее, эту пакость, займемся лучше чем-то интересным? Удивительно, но многие взрослые и сами не понимают, зачем учили физику в школе и искренне не видят связи между этой занимательной наукой и повседневной жизнью. Давайте же найдем эту связь!
Представьте себе свой обычный день. Вот вы встали с кровати, потянулись и посмотрели в зеркало. И законы физики заработали прямо с началом вашего дня!
Движение, отражение в зеркале, гравитация, которая заставляет вас идти по земле, а воду течь в раковину, а не вам в лицо, сила, которая требуется для того, чтобы поднять сумку или открыть дверь – все это физика.
Обратите внимание на лифт, легко и быстро поднимающий вас на нужный этаж, автомобиль или другой транспорт, компьютеры, планшеты и телефоны. Без физики все это никуда бы не поехало, не включилось и не заработало.
Развитие физики можно приравнять к прогрессу.
Сначала люди поняли законы оптики и изобрели простые очки, чтобы те, кто плохо видит, могли лучше ориентироваться, читать и писать. А затем на свете появились микроскопы, с помощью которых ученые сделали невероятные открытия в таких областях, как биология и медицина. И телескопы, в которые астрономы увидели планеты, звезды и целые галактики и смогли сделать выводы об устройстве Вселенной. Каждое открытие в физике помогает человечеству сделать новый шаг вперед.
Хорошо, скажете вы. Но ведь для всего перечисленного, для всех этих открытий и разработок существуют физики. То есть люди, сознательно выбравшие именно эту науку своей основной профессией. Причем же здесь остальные, да еще и гуманитарии? Им-то на что эти знания, если можно просто прочитать инструкцию к своему телефону и этого будет достаточно для его использования?
Мы уже писали, что в каждом гуманитарии может обнаружиться и технарь, но кроме этого, приведем несколько примеров из повседневной жизни, когда базовое знание физики может пригодиться каждому. Причем, разберем только один раздел физики, практически полностью созданный Исааком Ньютоном, – механику.
Движение, скорость, ускорение.
Итак, все во Вселенной постоянно двигается, включая нашу планету и землю, по которой мы ходим. А ходим мы почти ежедневно в разные места. Значит, мы постоянно рассчитываем, насколько быстро доберемся до театра, работы, друзей, чтобы не опоздать. Задачи на скорость мы решаем в средней школе в рамках курса математики, но на самом деле это базовая физика.
Теперь представьте, что вы выбираете машину. У вас есть желание получить резвый автомобиль, но вам нужно возить семью, поэтому размер тоже имеет значение. То есть резвый и большой. И как же понять, какой подойдет? На что вы обратите внимание? На ускорение, конечно! Есть такой параметр – постоянное ускорение, то есть разгон от 0 до 100 км за количество секунд. Так вот чем меньше время от 0 до 100, тем бодрее будет ваша машина на старте и виражах. И это подскажет вам физика!
Когда вы начинаете (и продолжаете) водить машину, кое-что из базового курса физики вам очень пригодится. Например, вы сами поймете, что резко тормозить на трассе при скорости 120 км/ч только потому, что вам внезапно захотелось полюбоваться красивым видом, пожалуй, не стоит.
Даже если за вами не едет на такой же скорости еще несколько автомобилей, водители которых могут не успеть среагировать. Просто при торможении ускорение отрицательное, поэтому всех, кто сидит в машине, резко бросает вперед. Поверьте, впивающиеся в тело ремни и растянутые шейные мышцы – это неприятно. Просто имейте в виду такое понятие из физики, как ускорение.
Сила тяготения, импульс и другие полезности.
Физика расскажет о законе тяготения. То есть мы уже и так знаем, что если бросить предмет, то он упадет на землю. Что это значит? Земля притягивает нас и все предметы. Мало того, планета Земля притягивает даже такой тяжелый космический предмет, как Луна. Заметим, что Луна не улетает по своей траектории и каждый вечер показывается людям. Также не зависают в воздухе любые штуки, которые мы в сердцах бросили на пол. На брошенные предметы действует еще и ускорение, потому что у Земли огромная сила притяжения. А также сила трения.
Поэтому, зная об этих законах, можно понять, что происходит, если человек прыгает с парашютом. Связана ли площадь парашюта связана с замедлением скорости падения? Может, стоит просить парашют побольше? Как действует импульс на коленки парашютиста, и почему нельзя приземляться на прямые ноги?
А как выбрать горные лыжи? Вы отлично катаетесь или только начинаете? Подумайте о трении, уточните именно эти параметры своих новых лыж. Если вы новичок, не знающий физики, то очень вероятна ошибка в выборе. Успеете ли вы остановиться?
Окей, вы не собираетесь прыгать с парашютом и ничего не хотите знать про горные лыжи.
Вернемся к повседневности. Вот перед вами гайка и гаечный ключ. За какую часть ключа нужно взяться, чтобы приложить к гайке максимальную силу? Те, кто изучал физику, возьмутся за ключ как можно дальше от гайки. Чтобы открыть тяжеленную дверь в старое здание, нужно давить на нее с самого краю, подальше от петель. Нужно ли рассказывать про рычаг и точку опоры, которой так не хватало Галилею?
Наверное, этих примеров пока достаточно для иллюстрации ежедневного присутствия физики в нашей жизни. И это была только механика! А ведь есть еще оптика, которую мы упоминали в начале статьи, и электричество с магнитными полями. И это мы скромно молчим про теорию относительности.
Поверьте, физика на базовом уровне необходима каждому, чтобы не выглядеть глупо и смешно в самых обычных ситуациях.
Я часто замечал, что мир вокруг нас устроен очень сложно, но, при более внимательном рассмотрении оказывается, что все достаточно просто. По крайней мере, как мне кажется. И виной тому обыкновенные физические законы, которые я изучал в школе. Да этим законам подчиняются все вокруг. Вот, например, взять снег, начинает немного теплеть и он покрывается коркой и рыхлеет. Вроде непонятно и странно. А достаточно немного подумать и все становится ясным. Днем температура повышается выше нуля градусов, становится тепло, снег под солнечными лучами начинает таять и превращаться в воду, проделывая канальчики в снежном слое. А ночью верхний подтаявший слой замерзает, превращаясь в лед. Вот и вся премудрость.
А посмотреть на автомобили, видно, что на льду они едут гораздо медленней и начинают тормозить перед светофором намного раньше. И тут видно, что действует физика. Сила, которая прижимает автомобили к земле, намного меньше из-за льда, поэтому, чтобы затормозить, нужно большее расстояние.
А дома, когда мама готовит горячий чай, а я опаздываю, то, чтобы он быстрее остыл, я быстро размешиваю его ложкой или переливаю из одной чашки в другую. Физика тут действует так: когда я переливаю чай, то он больше соприкасается с воздухом, отдает ему свое тепло, а значит, охлаждается. Так же происходит, когда я наливаю чай в блюдце. Холодный воздух встречается с горячим чаем и охлаждает его, чтобы их температура выровнялась.
Физические явления можно встретить и дома. Падает книга со стола (земля притягивает ее к себе), звонит телефон, и мы его слышим, вода кипит в чайнике, зажигается электрическая лампочка, включается и работает компьютер. Везде работают законы физики.
Я часто замечал, что мир вокруг нас устроен очень сложно, но, при более внимательном рассмотрении оказывается, что все достаточно просто. По крайней мере, как мне кажется. И виной тому обыкновенные физические законы, которые я изучал в школе. Да этим законам подчиняются все вокруг. Вот, например, взять снег, начинает немного теплеть и он покрывается коркой и рыхлеет. Вроде непонятно и странно. А достаточно немного подумать и все становится ясным. Днем температура повышается выше нуля градусов, становится тепло, снег под солнечными лучами начинает таять и превращаться в воду, проделывая канальчики в снежном слое. А ночью верхний подтаявший слой замерзает, превращаясь в лед. Вот и вся премудрость.
А посмотреть на автомобили, видно, что на льду они едут гораздо медленней и начинают тормозить перед светофором намного раньше. И тут видно, что действует физика. Сила, которая прижимает автомобили к земле, намного меньше из-за льда, поэтому, чтобы затормозить, нужно большее расстояние.
А дома, когда мама готовит горячий чай, а я опаздываю, то, чтобы он быстрее остыл, я быстро размешиваю его ложкой или переливаю из одной чашки в другую. Физика тут действует так: когда я переливаю чай, то он больше соприкасается с воздухом, отдает ему свое тепло, а значит, охлаждается. Так же происходит, когда я наливаю чай в блюдце. Холодный воздух встречается с горячим чаем и охлаждает его, чтобы их температура выровнялась.
Физические явления можно встретить и дома. Падает книга со стола (земля притягивает ее к себе), звонит телефон, и мы его слышим, вода кипит в чайнике, зажигается электрическая лампочка, включается и работает компьютер. Везде работают законы физики.
Если хорошо присмотреться, можно заметить влияние физики на все что угодно, что происходит вокруг нас. Идет дождь, влага собирается в облака. Течет вода из-под крана, работает вентилятор, да просто всего не перечесть, все происходит по законам физики, даже то, что мы дышим и едим. Что самое интересное, мы любые действия с предметами можем посчитать по определенным правилам и предсказать, что с ними произойдет дальше.
Поэтому, физическая наука очень важная, ее нужно изучать, чтобы можно было при помощи формул посчитать, что может произойти с любым нужным нам предметом.
ФИЗИКА В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ
Говоря о роли физики, выделим три основных момента. Во-первых, физика является для человека важнейшим источником знаний об окружающем мире. Во-вторых, физика, непрерывно расширяя и многократно умножая возможности человека, обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса. В-третьих, физика вносит существенный вклад в развитие духовного облика человека, формирует его мировоззрение, учит ориентироваться в шкале культурных ценностей. Поэтому будем говорить соответственно о научном, техническом и гуманитарном потенциалах физики.
Эти три потенциала содержались в физике всегда. Но особенно ярко и весомо они проявились в физике XX столетия, что и предопределило ту исключительно важную роль, какую стала играть физика в современном мире.
Физика как важнейший источник знаний об окружающем мире. Как известно, физика исследует наиболее общие свойства и формы движения материи. Она ищет ответы на вопросы: как устроен окружающий мир; каким законам подчиняются происходящие в нем явления и процессы? Стремясь познать «первоначала вещей» и «первопричины явлений», физика в процессе своего развития сформировала сначала механическую картину мира (XVII1—XIX вв.), затем электромагнитную картину (вторая половина XIX — начало XX в.) и, наконец, современную физическую картину мира (середина XX в.).
В начале нашего столетия была создана теория относительности — сначала специальная, а затем общая. Ее можно рассматривать как великолепное завершение комплекса интенсивно проводившихся в XIX столетии исследований, которые привели к созданию так называемой классической физики. Известный американский физик В. Вайскопф так охарактеризовал теорию относительности: «Это совершенно новый набор концепций, в рамках которых находят объединение механика, электродинамика и гравитация. Они принесли с собой новое восприятие таких понятий, как пространство и время. Эта совокупность идей в каком-то смысле является вершиной и синтезом физики XIX в. Они органически связаны с классическими традициями»
Тогда же, в начале века начала создаваться, а к концу первой трети столетия обрела достаточную стройность другая фундаментальная физическая теория XX в.— квантовая теория. Если теория относительности эффектно завершала предшествовавший этап развития физики, то квантовая теория, решительно порывая с классической физикой, открывала качественно новый этап в познании человеком материи. «Для квантовой теории характерен именно разрыв с классикой,— писал Вайскопф.— Это шаг в неизведанное, в мир явлений, которые не умещались в рамки идей физики XIX в. Надо было создать новые приемы мышления, чтобы понять мир атомов и молекул с его дискретными энергетическими состояниями и характерными особенностями спектров и химических связей»
Используя квантовую теорию, физики совершили в XX в. в буквальном смысле слова прорыв в понимании вопросов, касающихся моля и вещества, строения и свойств кристаллов, молекул, атомов, атомных ядер, взаимопревращений элементарных частиц. Возникли новые разделы физики, такие, как физика твердого тела, физика плазмы, атомная и молекулярная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц. А в традиционных разделах, например оптике, появились совершенно новые главы: квантовая оптика, нелинейная оптика, голография и др.
Физика исследует фундаментальные закономерности явлений; это предопределяет ее ведущую роль во всем цикле естественно-математических наук. Ведущая роль физики особенно ярко выявилась именно в XX в. Один из наиболее убедительных примеров — объяснение периодической системы химических элементов на основе квантовомеханических представлений. На стыке физики и других естественных наук возникли новые научные дисциплины. Химическая физика исследует электронное строение атомов и молекул, физическую природу химических связей, кинетику химических реакций. Астрофизика изучает многообразие физических явлений во Вселенной; на широко применяет методы спектрального анализа и радиоастрономических наблюдений. В отдельные разделы астрофизики выделены: физика Солнца, физика планет, физика межзвездной среды и туманностей, физика звезд, космология. Биофизика рассматривает физические и физико-химические явления в живых организмах, влияние различных физических факторов на живые системы. В настоящее время из биофизики выделились самостоятельные направления биоэнергетика, фотобиология, радиобиология. Геофизика исследует внутреннее строение Земли, физические процессы, происходящие в ее оболочках. Различают физику твердой Земли, физику моря и физику атмосферы. Отметим также агрофизику, изучающую физические процессы в почве и растениях и разрабатывающую способы регулирования физических условий жизни сельскохозяйственных культур; петрофизику, исследующую связь физических свойств горных пород с их структурой и историей формирования; психофизику, рассматривающую количественные отношения между силой и характером раздражителя, с одной стороны, и интенсивностью раздражения — с другой.
Физика как основа научно-технического прогресса. Трудно переоценить роль фундаментальных физических исследований в развитии техники. Так, исследования тепловых явлений в XIX в. способствовали быстрому совершенствованию тепловых двигателей. Фундаментальные исследования в области электромагнетизма привели к возникновению и быстрому развитию электротехники. В первой половине XIX в. был создан телеграф, в середине века появились электрические осветители, а затем электродвигатели. Во второй половине XIX в. химические источники электрического тока
стали вытесняться электрогенераторами. Девятнадцатый век завершился триумфально: появился телефон, родилось радио, был создан автомобиль с бензиновым двигателем, в ряде столиц открылись линии метрополитена, зародилась авиация. В 1912 г. В. Я. Брюсов написал строки, в которых хорошо отразилось победное настроение тех лет:
Свершились все мечты, что были так далеки. Победный ум прошел за годы сотни миль. При электричестве пишу я эти строки, И у ворот, гудя, стоит автомобиль.
А между тем научно-технический прогресс только еще набирал темп; научно-техническая революция XX в. еще только назревала. Открытие электрона, создание и становление квантовой теории, возникновение атомной физики, а затем физики твердого тела — все это предопределило рождение и быстрое развитие электроники. Сначала возникла вакуумная электроника (электронные лампы, электронно-лучевые трубки); в 50-х годах стала развиваться полупроводниковая электроника (в 1948 г. был изобретен транзистор); в 60-х годах родилась микроэлектроника. Прогресс в области электроники привел к созданию совершенных систем радиосвязи, радиоуправления, радиолокации. Развивается телевидение, сменяются одно за другим поколения ЭВМ (растет их быстродействие, совершенствуется память, расширяются функциональные возможности), появляются промышленные роботы. В 1957 г. состоялся вывод на околоземную орбиту первого искусственного спутника Земли; 1961 г.— полет Ю. А. Гагарина — первого космонавта планеты; 1969 г.— первые люди на Луне. Нас почти уже не удивляют поразительные успехи космической техники. Мы привыкли к запускам искусственных спутников Земли (их число давно перевалило за тысячу); становятся все более привычными полеты космонавтов на пилотируемых космических кораблях, их многодневные вахты на орбитальных станциях. Мы познакомились с обратной стороной Луны, получили фотоснимки поверхности Венеры, Марса, Юпитера, кометы Галлея.
Фундаментальные исследования в области ядерной физики позволили вплотную приступить к решению одной из наиболее острых проблем — энергетической проблемы. Первые ядерные реакторы появились в 40-х годах, а в 1954 г. в СССР начала действовать первая в мире атомная электростанция — родилась ядерная энергетика. В настоящее время на Земле работает более трехсот АЭС; они дают около 20% всей производимой в мире электрической энергии. Развернуты интенсивные исследования по термоядерному синтезу; прокладываются пути к термоядерной энергетике.
Успехи в исследовании физики газового разряда и физики твердого тела, более глубокое понимание физики взаимодействия оптического излучения с веществом, использование принципов и методов радиофизики — все это предопределило развитие еще одного важного научно-технического направления — лазерной техники. Это направление возникло всего тридцать лет назад (первый лазер создан в 1960 г.), но уже сегодня лазеры находят широкое применение во многих областях практической деятельности человека. Лазерный луч выполняет разнообразные технологические операции (сваривает, режет, пробивает отверстия, закаливает, маркирует и т. д.), используется в качестве хирургического скальпеля, выполняет точнейшие измерения, трудится на строительных площадках и взлетно-посадочных полосах аэродромов, контролирует степень загрязнения атмосферы и океана. В ближайшей перспективе лазерная техника позволит реализовать в широких масштабах оптическую связь и оптическую обработку информации, произвести своеобразную революцию в химии (управление химическими процессами, получение новых веществ и, в частности, особо чистых веществ) и осуществить управляемый термоядерный синтез.
Говоря о связи между развитием физики и научно-техническим прогрессом, следует отметить, что эта связь двусторонняя. С одной стороны, достижения физики лежат в основе развития техники. С другой — повышение уровня техники создает условия для интенсификации физических исследований, делает возможным постановку принципиально новых исследований. В качестве примера можно указать на важнейшие исследования, выполняемые на ядерных реакторах или на ускорителях заряженных частиц.
Физика как важнейший компонент человеческой культуры. Воздействуя решающим образом на научно-технический прогресс, физика тем самым оказывает существенное влияние и на все стороны жизни общества, в частности на человеческую культуру. Однако в данном случае мы имеем в виду не это опосредствованное влияние физики на культуру, а влияние непосредственное, позволяющее говорить о самой физике как о компоненте культуры. Иными словами, речь идет о гуманитарном содержании самого предмета физики, которое связано с развитием мышления, формированием мировоззрения, воспитанием чувств. Мы имеем в виду органическую связь физики с развитием общественного сознания, с воспитанием определенного отношения к окружающему миру.
Утверждая материалистическую диалектику, физика XX в. открыла ряд исключительно важных истин, значимость которых выходит за рамки самой физики, истин, ставших общечеловеческим достоянием. Во-первых, была доказана фундаментальность статистических закономерностей как соответствующих более глубокому этапу (по сравнению с закономерностями динамическими) в процессе познания мира. Было показано, что вероятностная форма причинности является основной, а жесткая, однозначная причинность есть не более чем частный случай. Физика предоставила нам уникальную возможность: на основе статистических теорий рассмотреть количественно диалектику необходимого и случайного. Выходя за рамки собственных задач, современная физика показала, что случайность не только путает и нарушает наши планы, но и может нас обогащать, создавая новые возможности.
Во-вторых, физика XX в. продемонстрировала всеобщность принципа симметрии, заставила значительно глубже взглянуть на симметрию, расширив это понятие за рамки геометрических представлений, а главное, рассмотрела диалектику симметрии и асимметрии, связав ее с диалектикой общего и различного, сохранения и изменения. Был поставлен вопрос о симметрии-асимметрии физических законов, в связи с чем была выявлена особая роль законов сохранения. Выходя за рамки собственных задач, физика наглядно показала, что симметрия ограничивает число возможных вариантов структур или вариантов поведения систем. Это обстоятельство исключительно важно, так как дает возможность во многих случаях находить решение как результат выявления единственно возможного варианта, без выяснения подробностей (решение из соображений симметрии).
В-третьих, физика XX в. показала, что по мере углубления наших знаний происходит постепенное стирание граней, разрушение перегородок. Так, стирается грань между корпускулярным и волновым движениями, между веществом и полем. Оказалось, что как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц и, более того, пустота — это вовсе не пустота в обычном понимании, а физический вакуум, «наполненный» виртуальными частицами. Нормой поведения для частиц, рассматриваемых в современной физике, являются взаимопревращения, поэтому мир предстает перед нами как единое целое. В этом мире понятие полностью изолированного объекта по сути дела отсутствует. Здесь уместно напомнить известное ленинское замечание, что в природе нет абсолютных граней – , что «все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи»
В-четвертых, современная физика подарила нам принцип соответствия. Он возник в квантовой механике на этапе ее начального развития, но затем превратился в общий методологический принцип, отражающий диалектику процесса познания мира. Он демонстрирует важное положение диалектики: процесс познания — это процесс постепенного и бесконечного приближения к абсолютной истине через последовательность относительных истин. Принцип соответствия показывает, как именно в физике реализуется указанный процесс приближения к истине. Это не механическое добавление новых фактов к уже известным, а процесс последовательного обобщения, когда новое отрицает старое, но отрицает не просто, а с удержанием всего того положительного, что было накоплено в старом. «Изучение физики дает возможность показать, что все физические представления и теории отражают объективную реальность лишь приближенно, что наши представления о мире непрерывно углубляются и расширяются, что процесс познания материального мира бесконечен»
Наши представления о мире… Нет необходимости доказывать, что современное миропонимание — важный компонент человеческой культуры. Каждый культурный человек должен хотя бы в общих чертax представлять, как устроен мир, в котором он живет. Это необходимо не только для общего развития. Любовь к природе предполагает уважение к происходящим в ней процессам, а для этого надо понимать, по каким законам они совершаются. Мы имеем много поучительных примеров, когда природа наказывала нас за наше невежество; пора научиться извлекать из этого уроки. Нельзя также сбывать, что именно знание законов природы есть эффективное оружие борьбы с мистическими представлениями, есть фундамент атеистического воспитания.
Современная физика вносит существенный вклад в выработку нового стиля мышления, который можно назвать планетарным мышлением. Она обращается к проблемам, имеющим большое значение для всех стран и народов. Сюда относятся, например, проблемы солнечно-земных связей, касающиеся воздействия солнечных излучений на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли; прогнозы физической картины мира после ядерной катастрофы, если таковая разразится; глобальные экологические проблемы, связанные с загрязнением Мирового океана и земной атмосферы.
В заключение отметим, что, воздействуя на самый характер мышления, помогая ориентироваться в шкале жизненных ценностей, физика способствует, в конечном счете, выработке адекватного отношения к окружающему миру и, в частности, активной жизненной позиции. Любому человеку важно знать, что мир в принципе познаваем, что случайность не всегда вредна, что нужно и можно ориентироваться и работать в мире, насыщенном случайностями, что в этом изменяющемся мире есть тем не менее «опорные точки», инварианты (что бы ни менялось, а энергия сохраняется), что по мере углубления знаний картина неизбежно усложняется, становится диалектичнее, так что вчерашние «перегородки» более не годятся.
Мы убеждаемся, таким образом, что современная физика действительно содержит в себе мощный гуманитарный потенциал. Можно не считать слишком большим преувеличением слова американского физика И. Раби: «Физика составляет сердцевину гуманитарного образования нашего времени»
Эссе на тему:
«Моё отношение к физике»
Моё первое подробное знакомство с физикой произошло в седьмом классе, когда в наше школьное расписание ввели этот замечательный предмет. Самые первые занятия физикой меня очень заинтересовали, и в дальнейшем я стала изучать её с огромным удовольствием. До того момента я лишь листала объёмные книги на физическую тематику.
Ещё с детских лет я очень любила узнавать происхождение различных явлений, а также быть в курсе устройства некоторых механизмов и систем. Любознательность школьника, упорство и стремление познать в совершенстве окружающий мир помогли мне привить любовь к этой науке.
Шло время, менялись интересы, школа открывала для меня новые учебные дисциплины, но интерес к физике не угас и по сей день. Простые теоретические формулировки физических явлений сменялись более сложными законами. С начала курса физики поставлены десятки опытов и исследований, выведены сотни формул, решены тысячи задач, но постижение этой науки, ещё не закончено.
Моим наставником в изучении физики стала Смирнова Светлана Александровна. Именно благодаря её знаниям и преподавательскому мастерству даже самые сложные темы были легко усвоены. Прилежное отношение педагога к своему уроку и огромное терпение играют свою позитивную роль в учебном процессе.
На мой взгляд, физические знания полезны для человека. Физика в большей мере, чем любая из естественных наук расширила границы человеческого познания. В школе физика должна рассматриваться как один из предметов, выполняющих не только познавательную, но также развивающую и воспитательную функции, так как она содержит огромный потенциал, имеющий непосредственное отношение к развитию мышления и развитию духовности.
Астапова Татьяна, ученица 11 класса
МКОУ Лебедёвской СОШ
Если бы не физика и люди, интересующиеся взаимосвязью всего материального в мире, не было бы до сих пор изучено электричество, жили бы до сих пор при свете костра и звезд, не было бы интернета — без которого теперь немыслимы даже самые простые действия. Люди, которые отдали свою жизнь на изучение физической науки, совершают новые открытия, создают прочнейшие материалы, обладающие невероятными свойствами, машины, с операционной системой ультра скоростного действия. Благодаря физике стали возможными исследования работы человеческого мозга, вирусов, в хирургии- пересадка органов, в космической сфере- создание аппаратов для внеземных наблюдений.
Распространенное и в основном мужское онкозаболевание, чем женское — это рак мочевого пузыря. Особенность: часто встречается у заядлых курильщиков. Кроме курения, образованию и распространению опухоли способствуют алкоголизм, папилломы, цистит, анилиновые красители. Лечение рака мочевого пузыря в Израиле проходит успешно в 95 % случаев, это конец злокачественных страданий (по ссылке можно познакомиться более подробно).
Элементарная физика
Существование и назначение физики, как таковой, само собой разумеется, для людей, увлеченных ею. Но у простых смертных, не искушенных науками и ленивых, появляется вопрос: ради чего утруждать себя какими- то анализами и лишними познаниями? Чем интересна физика, что в ней полезного для обыденной жизни? Ответ напрашивается в форме все того же вопроса: зачем человеку руки, птице крылья, рыбе хвост, а сороконожке аж сорок ног? Затем, что без них нельзя обойтись: определенные функции работают именно потому, что их работу обеспечивают специфические детали. Физика присутствует абсолютно во всем, каждый день человек живет по законам физики, наверное, единственному «кодексу» законов из всех возможных на планете. Приготовление пищи, принятие ванны, сон, езда на велосипеде, катание на коньках – от самого банального до будущей кибер-реальности. Закон Архимеда, гравитация, сила притяжения, плотность веществ, оптика и гидро-газо-динамика — совершенно обыденные явления, на которые уже даже внимания не обращают, и напрасно. Ведь физика — наука познания окружающего мира, осознания человеком самого себя, как части вселенной.
Физика во всем
Любой образованный и культурный человек должен разбираться в законах физики. Она способствует формированию верных заключений, причинно-следственных связей. Жалок и опасен тот, кто не в состоянии понять разницу между причиной и следствием. А детская любознательность? Стыдно, если в ответ на вопрос ребенка «почему», родитель только задумчиво промычит. И бизнесмену, и менеджеру, и строителю, и пекарю необходимо знать, понимать и учитывать законы физики, чтобы успешно справляться со своей работой. Даже простейшее рабочее оборудование было создано и функционирует благодаря физике.
Физика просто очень интересная наука, которая рассказывает и объясняет как все устроено в природе, каким законам подчиняется все на свете, в том числе и человек. Не зная физики невозможно понять, как двигается кровь по сосудам и капиллярам, не объяснить как дышит человек и зачем он питается. Не зная физики сложно представить как работает глаз или слышат уши. Конечно, если человек не знает как функционирует его организм это не значит,что он вдруг забудет как дышать и умрет, но ведь это просто интересно, понимать как все устроено. Физика может пригодиться чтобы узнать с какой скоростью мы едим на поезде или путешествуем пешком, физика объяснит как летает самолет и почему земля вращается вокруг солнца. В мире столько всего интересного и всем эти заведует именно физика. Зная принципы распространения тока, можно не бояться случайного поражения им, а при случае можно даже починить проводку. Зная физику можно прочистить слив в раковине и даже определить какое яйцо вареное, а какое сырое. Это опять-таки не значит, что мы во многих случаях применяем законы физики осознанно, но если их знать, то можно это делать во много эффективнее. Так что физика очень полезная наука, без которой ни туда и ни сюда.
Ответ оставил Гость
Я часто замечал, что мир вокруг нас устроен очень сложно, но, при более внимательном рассмотрении оказывается, что все достаточно просто. По крайней мере, как мне кажется. И виной тому обыкновенные физические законы, которые я изучал в школе. Да этим законам подчиняются все вокруг. Вот, например, взять снег, начинает немного теплеть и он покрывается коркой и рыхлеет. Вроде непонятно и странно. А достаточно немного подумать и все становится ясным. Днем температура повышается выше нуля градусов, становится тепло, снег под солнечными лучами начинает таять и превращаться в воду, проделывая канальчики в снежном слое. А ночью верхний подтаявший слой замерзает, превращаясь в лед. Вот и вся премудрость.
А посмотреть на автомобили, видно, что на льду они едут гораздо медленней и начинают тормозить перед светофором намного раньше. И тут видно, что действует физика. Сила, которая прижимает автомобили к земле, намного меньше из-за льда, поэтому, чтобы затормозить, нужно большее расстояние.
А дома, когда мама готовит горячий чай, а я опаздываю, то, чтобы он быстрее остыл, я быстро размешиваю его ложкой или переливаю из одной чашки в другую. Физика тут действует так: когда я переливаю чай, то он больше соприкасается с воздухом, отдает ему свое тепло, а значит, охлаждается. Так же происходит, когда я наливаю чай в блюдце. Холодный воздух встречается с горячим чаем и охлаждает его, чтобы их температура выровнялась.
Физические явления можно встретить и дома. Падает книга со стола (земля притягивает ее к себе), звонит телефон, и мы его слышим, вода кипит в чайнике, зажигается электрическая лампочка, включается и работает компьютер. Везде работают законы физики.
Если хорошо присмотреться, можно заметить влияние физики на все что угодно, что происходит вокруг нас. Идет дождь, влага собирается в облака. Течет вода из-под крана, работает вентилятор, да просто всего не перечесть, все происходит по законам физики, даже то, что мы дышим и едим. Что самое интересное, мы любые действия с предметами можем посчитать по определенным правилам и предсказать, что с ними произойдет дальше.
Поэтому, физическая наука очень важная, ее нужно изучать, чтобы можно было при помощи формул посчитать, что может произойти с любым нужным нам предметом.