Предмет физики
Научный метод
Физика - естественная наука. В ее основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а ее задача - формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточивается на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д. В основе физических исследований лежат наблюдения. Обобщение наблюдений позволяет физикам формулировать гипотезы о совместных общих черт этих явлений, по которым велись наблюдения. Гипотезы проверяются с помощью продуманного эксперимента, в котором явление проявлялось бы в как можно более чистом виде и не осложнялось бы другими явлениями. Анализ данных совокупности экспериментов позволяет сформулировать закономерность. На первых этапах исследований закономерности носят преимущественно эмпирический, феноменологический характер, то есть явление описывается количественно с помощью определенных параметров, характерных для исследуемых тел и веществ. Анализируя закономерности и параметры, физики строят физические теории, которые позволяют объяснить изучаемые явления на основе представлений о строении тел и веществ и взаимодействие между их составными частями. Физические теории, в свою очередь, создают предпосылки для постановки точных экспериментов, в ходе которых в основном определяются рамки их применения. Общие физические теории позволяют формулировки физических законов, которые считаются общими истинами, пока накопления новых экспериментальных результатов не потребует их уточнения.
Сложилось окончательное разделение труда между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Энрико Ферми был, пожалуй, последним выдающимся физиком, успешным как в теории, так и в экспериментальной работе.
Передний край физики переместился в область исследования фундаментальных законов, ставя перед собой цель создать теорию, которая объясняла бы Вселенную, объединив теории фундаментальных взаимодействий. На этом пути физика получила частичные успехи в виде теории электрослабого взаимодействия и теории кварков, обобщённой в так называемой стандартной модели. Однако, квантовая теория гравитации до сих пор не построена. Определенные надежды связываются с теорией струн.
Начиная с создания квантовой механики, быстрыми темпами развивается физика твердого тела, открытия которой привели к возникновению и развитию электроники, а с ней и информатики, которые внесли коренные изменения в культуру человеческого общества.
Теоретическая и экспериментальная физика
В основе своей физика - экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.
Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В её задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями. Например, экспериментальное изучение фотоэффекта послужило одной из посылок к созданию квантовой механики (хотя рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка , выдвинутой им для разрешения ультрафиолетовой катастрофы - парадокса классической теоретической физики излучения).
В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).
При изучении любого явления экспериментальные и теоретические аспекты одинаково важны.
Прикладная физика
От своего зарождения физика всегда имела большое прикладное значение и развивалась вместе с машинами и механизмами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика широко используется в инженерных науках, немало физиков были одновременно изобретателями и, наоборот. Механика, как часть физики, тесно связана с теоретической механикой и сопротивлением материалов, как инженерными науками. Термодинамика связана с теплотехникой и конструированием тепловых двигателей. Электричество связано с электротехникой и электроникой, для становления и развития которой очень важны исследования в области физики твердого тела. Достижения ядерной физики обусловили появление ядерной энергетики, и тому подобное.
Физика также имеет широкие междисциплинарные связи. На границе физики, химии и инженерных наук возникла и быстро развивается такая отрасль науки как материаловедение. Методы и инструменты используются химией, что привело к становлению двух направлений исследований: физической химии и химической физики. Все мощнее становится биофизика - область исследований на границе между биологией и физикой, в которой биологические процессы изучаются исходя из атомарного структуры органических веществ. Геофизика изучает физическую природу геологических явлений. Медицина использует методы, такие как рентгеновские и ультразвуковые исследования, ядерный магнитный резонанс - для диагностики, лазеры - для лечения болезней глаз, ядерное облучение - в онкологии, и тому подобное.
Основные теории
Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов , скорости существенно меньше скорости света , и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке . Они составляют основу для всех физических исследований.
| Теория | Основные разделы | Понятия |
|---|---|---|
| Классическая механика | Законы Ньютона - Лагранжева механика - Гамильтонова механика - Теория хаоса - Гидродинамика - Механика сплошных сред | Вещество - Пространство - Время - Энергия - Движение - Масса - Длина - Скорость - Сила - Мощность - Работа - Закон сохранения - Момент инерции - Угловой момент - Момент силы - Волна - Действие - Размерность |
| Электромагнетизм | Электростатика - Электричество - Магнитостатика - Магнетизм - Уравнения Максвелла - Электродинамика | Электрический заряд - Напряжение - Ток - Электрическое поле - Магнитное поле - Электромагнитное поле - Электромагнитное излучение |
| Термодинамика и Статистическая физика | Тепловая машина - Молекулярно-кинетическая теория | Температура - Постоянная Больцмана - Энтропия - Свободная энергия - Термодинамическое равновесие - Статистическая сумма - Микроканоническое распределение - Большое каноническое распределение |
| Квантовая механика | Уравнение Шрёдингера - Интеграл Фейнмана - Квантовая теория поля | Гамильтониан - Тождественные частицы - Постоянная Планка - Измерение - Квантовый осциллятор - Волновая функция - Нулевая энергия - Перенормировка |
| Теория относительности | Специальная теория относительности - Общая теория относительности | Принцип относительности - 4-вектор - Пространство-время - Скорость света - Тензор энергии-импульса - Кривизна пространства-времени - Чёрная дыра |
Разделы физики
Макроскопическая физика
- Механика твердого тела
Микроскопическая физика
- Статистическая физика
- Физика конденсированных сред
- Физика наноструктур
Разделы физики на стыке наук
Справка
- Единицы измерения физических величин
- Олимпиадные задачи по физике
Важнейшие журналы
Российские
- Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ)
Зарубежные
- Журналы Американского физического общества
- Physics - короткие обзорные статьи по результатам, опубликованным в других журналах общества.
- Reviews of Modern Physics (RMP) Публикует обзорные статьи по большим разделам физики
- Physical Review Letters (PRL) Наиболее престижный (после Nature и Science) журнал: короткие статьи по новейшим исследованиям
- Physical Review (A,B,C,D,E) Статьи разного формата, более подробные, но менее оперативно публикуемые, чем в Phys. Rev. Lett.
- Журналы
- Европейские журналы
- Journal of Physics (A, B, C …)
- Physica (A, B, C …)
- Europhysics Letters
- Zeitschrift für Physik Именно в этом журнале публиковались Эйнштейн, Гейзенберг, Планк…
- Nuovo cimento (A, B, C …)
- Научно-популярные журналы
А также архив препринтов arXiv.org , на котором статьи появляются гораздо раньше их появления в журналах и доступны для свободного скачивания.
См. также
| Портал «Физика » | |
| Физика в Викисловаре | |
| Физика в Викиучебнике | |
| в Викитеке | |
| Физика на Викискладе | |
| Физика в Викиновостях |
Ссылки
Коды в системах классификации знаний
- Государственный рубрикатор научно-технической информации (ГРНТИ) (по состоянию на 2001 год): 29 ФИЗИКА
Примечания
Литература
- Иванов Б. Н. Законы физики. Изд.3, М.:URSS, 2010 г., 368 с
| Основные разделы |
|---|
Все мы в школе некогда изучали такой предмет, как физика. Кому-то он давался легко, а кому приходилось тратить на выполнение домашних заданий уйму времени. Давайте попробуем разобраться или восстановить в памяти, что такое данный предмет и какова его роль в развитии человечества?
Раздел 1. Что такое физика? Определение понятия
Вообще само слово «физика» некогда произошло от древнего греческого «фюзис», что в переводе на сейчас можно было бы трактовать как «природа» или «окружающая среда».
Если заглянуть в историю данной науки, практически сразу можно получить ответ, сообщающий, что впервые данное определение появилось в летописях, принадлежащих Аристотелю, который по праву считался и продолжает считаться величайшим мыслителем древности. А если учесть, что жил философ и ученый где-то в IV в. до нашей эры, то можно догадаться, в какое приблизительно время возникла на Земле данная сфера знаний.
Как же слову удалось проникнуть в наш, русский, язык? Наверное, вам уже приходилось слышать или читать, что известный на весь мир ученый Михаил Ломоносов, кроме научной деятельности, занимался еще и книгоиздательством: некоторые учебники писал сам, а некоторые считал более целесообразным перевести. Например, книга по физике, принесшая данный термин и в наши научные круги, была переведена с немецкого.
Раздел 2. Что такое физика? Приведем примеры
В целом физика считается одной из основных а если внимательно оглядеться по сторонам, то можно сделать вывод о том, что она окружает нас практически повсеместно. Почему? Потому что в находящейся вокруг действительности постоянно происходят те или иные изменения, процессы или, говоря иначе, явления.
Т.е. с уверенностью можно утверждать, что термин в природе" включает все без исключения изменения, которые случаются с веществами и телами в окружающем нас мире.
Приведу несколько примеров того, как можно проследить действие физических законов на привычных нам явлениях. Вот, скажем, мы заносим кусочек льда или горсть снега в теплый дом. Что происходит? Правильно, он сразу же начинает таять. Вода в поставленном на огонь чайнике рано или поздно закипает, а электрический ток, пропускаемый через проволоку, в конце концов раскаляет ее докрасна (подобное явление мы можем видеть в лампочке).
Так вот и таянье льда, и нагревание проволоки, и падение камня с горы, и весенний гром, и ледяной ветер - все это физические явления.
Если говорить в целом, то физика изучает звуковые, магнитные, механические, световые, тепловые, электрические и явления. Всё перечисленное выше можно назвать физическими особенностями, в процессе которых все превращения веществ происходят без изменения самого состава.
Раздел 3. Что такое физика и ее связь с другими науками
Тогда возникает вполне логичный вопрос. Как же удается одной науке изучить такое огромное количество разного рода процессов? Все дело в том, что данный предмет имеет одну важную особенность, состоящую в том, чтобы выводить общие законы, принимая во внимание самые простые факторы.
Каким образом?
Приведу еще один пример. Скажем, у вас есть несколько шариков, все они разные, т.е. отличаются друг от дружки и по диаметру, и по плотности, и по весу. Что будет, если мы начнем бросать их на землю с разной высоты? После нескольких экспериментов даже младшему школьнику станет понятно, что их будет различным. Так вот физика, как наука, устанавливает, что все эти процессы происходят в соответствии с определенными законами, которые могут быть вполне применимы и к другим объектам, измерение которых на практике невозможно.
При помощи физики некогда было установлено, что различные тела падают на землю, а не взлетают в воздух благодаря силе земного притяжения, смена дня и ночи происходит из-за того, что вокруг своей оси, ветер возникает вследствие неравномерного нагревания воздушных масс.
Вы спросите, а как же, скажем, астрономия, география, химия и биология, ведь они тоже занимаются изучением природы? Да, занимаются, но в каждой из этих наук применяются физические законы.
Зачем? Ну, например, в географии для того, чтобы объяснить климат реки или природу возникновения тех или иных явлений. В астрономии современная физика используется для того, чтобы подробно изучить строение и процесс развития недавно открытых небесных тел, ведь мы же пока не можем отправиться туда и изучить все на месте, стало быть, целесообразнее использовать тот или иной закон.
Физика в переводе с древне греческого - «природа». Физика — это область естествознания, наука, которая изучает наиболее фундаментальные закономерности, определяющие общую структуру и эволюцию материального мира. Являясь одним из трех китов, на которых зиждется современная система мироустройства, физика, является наукой о природе в самом широком понимании этого слова! Кроме того, что она изучает материальные и энергетические параметры организации вселенной, она также ставит перед собой задачи пояснения и логического обоснования фундаментальных взаимодействий в природе, управляющих движением материи.
На самом деле, именно физика является основным двигателем технического прогресса человечества в целом. Не умаляя в этом заслуг и иных отраслей научной мысли, все же хочется упомянуть о таких величайших гениях рода человеческого как Исаак Ньютон, Альберт Эйнштейн, Никола Тесла и пр., и пр. Именно физики позволили человечеству сделать не просто шаг в направлении своего технического развития, но совершить гигантский скачок!!!
За последние 100 лет человек овладел энергией атома, повсеместно внедрил электричество во все сферы жизни, создал то, без чего вы не смогли бы прочитать эти строки - интернет, завоевал воздушное, водное и начал исследование подводного пространства нашей планеты. Создал супер-прочные материалы, обладающие невиданными до селе свойствами, вычислительные машины, выполняющие миллиарды логических операций в секунду, проник в бескрайние глубины человеческого мозга, увидел мельчайших обитателей нашей планеты, которых теперь мы называем вирусами, научился искусственно выращивать и трансплантировать человеческие органы и вырвался за пределы атмосферы планеты земля. Всего не перечесть. Но и этого я думаю достаточно, чтобы понять в полной мере, что же из себя представляет физическая наука.
Может возникнуть вопрос, - зачем физика нужна Вам? Позволим себе ответить на него опять же таки вопросом, - а зачем сороконожке ноги, птицам крылья, а растениям солнце? Правильно, - да потому, что без всего этого им не обойтись!!! :) Физика сегодня необходима нам как никогда раньше. Ведь вы используете законы физики каждый день, в своей повседневной жизни…- когда готовите еду, смотрите телевизор или же просто нежитесь в ванной. Законы Архимеда, законы, применяемые в оптике, или физические законы из раздела гидро-газо-динамики стали для нас чем-то на столько обыденным, что мы уже просто не обращаем на них своего внимания, а зря…Физика - это в первую очередь, возможность человека как можно более глубже познать окружающий его мир, упорядочить систему его мировосприятия и осознать себя неотъемлемой его частью!
Физическая наука всеобъемлюща в своем стремлении охватить как можно больше и как можно более детально описать то, что попадает в поле зрения ее апологетов, и поэтому с полным правом может претендовать на почетное звание королевы наук!