Физика – фундаментальная наука о природе. Научный метод познания мира. Взаимосвязь между физикой и другими естественными науками. Методы научного исследования физических явлений. Погрешности измерений физических величин. Моделирование явлений и процессов природы. Закономерность и случайность. Границы применимости физического закона. Физические теории и принцип соответствия. Роль и место физики в формировании современной научной картины мира, в практической деятельности людей. Физика и культура.
Механика
Предмет и задачи классической механики. Кинематические характеристики механического движения. Модели тел и движений. Равноускоренное прямолинейное движение, свободное падение. движение тела, брошенного под углом к горизонту. Движение точки по окружности. Поступательное и вращательное движение твердого тела.
Взаимодействие тел. Принцип суперпозиции сил. Инерциальная система отсчета. Законы механики Ньютона. Законы Всемирного тяготения, Гука, сухого трения. Движение небесных тел и их искусственных спутников. Явления, наблюдаемые в неинерциальных системах отсчета.
Импульс силы. Закон изменения и сохранения импульса. Работа силы. Закон изменения и сохранения энергии.
Равновесие материальной точки и твердого тела. Условия равновесия твердого тела в инерциальной системе отсчета. Момент силы. Равновесие жидкости и газа. Движение жидкостей и газов. Закон сохранения энергии в динамике жидкости и газа.
Механические колебания и волны. Амплитуда, период, частота, фазаколебаний. Превращения энергии при колебаниях. Вынужденные колебания, резонанс.
Поперечные и продольные волны. Энергия волны. Интерференция и дифракция волн. Звуковые волны.
Молекулярная физика и термодинамика
Предмет и задачи молекулярно-кинетической теории (МКТ) и термодинамики.
Экспериментальные доказательства МКТ. Абсолютная температура как мера средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества. Модель идеального газа. Давление газа. Связь между давлением и средней кинетической энергией поступательного теплового движения молекул идеального газа.
Модель идеального газа в термодинамике: уравнение Менделеева–Клапейрона, выражение для внутренней энергии. Закон Дальтона. Газовые законы.
Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы. Преобразование энергии в фазовых переходах. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Модель строения жидкостей. Поверхностное натяжение. Модель строения твердых тел. Механические свойства твердых тел .
Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии. Первый закон термодинамики. Адиабатный процесс. Второй закон термодинамики.
Преобразования энергии в тепловых машинах. КПД тепловой машины. Цикл Карно. Экологические проблемы теплоэнергетики.
Электродинамика
Предмет и задачи электродинамики. Электрическое взаимодействие. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Напряженность и потенциал электростатического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Разность потенциалов. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле. Электрическая емкость. Конденсатор. Энергия электрического поля.
Постоянный электрический ток. Электродвижущая сила (ЭДС). Закон Ома для полной электрической цепи. Электрический ток в металлах, электролитах, полупроводниках, газах и вакууме. Плазма. Электролиз. Полупроводниковые приборы. Сверхпроводимость.
Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Принцип суперпозиции магнитных полей. Магнитное поле проводника с током. Действие магнитного поля на проводник с током и движущуюся заряженную частицу. Сила Ампера и сила Лоренца.
Поток вектора магнитной индукции. Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. ЭДС индукции в движущихся проводниках. Правило Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия электромагнитного поля. Магнитные свойства вещества.
Электромагнитные колебания. Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Вынужденные электромагнитные колебания. Резонанс. Переменный ток. Конденсатор и катушка в цепи переменного тока. Производство, передача и потребление электрической энергии. Элементарная теория трансформатора.
Электромагнитное поле. Вихревое электрическое поле. Электромагнитные волны. Свойства электромагнитных волн. Диапазоны электромагнитных излучений и их практическое применение. Принципы радиосвязи и телевидения.
Физика – наука о природе.
- Фундаментальные законы
- Примеры необычных физических явлений (тепловой и электро- двигатели, велосипедное колесо, кипение холодной жидкости, левитация карандашного грифеля)
- Научный метод (Айсберг, Желоб Галилея)
- Инерциальные системы отсчёта. Свободное тело. Принцип относительности.
Фильм «Чем занимается физика»
Тепловой и электро- двигатели
Тепловой и электро- двигатели
Велосипедное колесо и китайский волчок
Левитация грифеля
Неуравновешенные шарики
Кипение воды (молока)
Труба, желоб Галилея
Воздушная дорога
Физика это естественная наука, изучающая фундаментальные , наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения.
Физика это естественная наука, изучающая фундаментальные, наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения.
Физический закон – это количественное соотношение между физическими величинами, которое устанавливается на основе обобщения опытных фактов и выражают объективные закономерности , существующие в природе.
Физический закон – это количественное соотношение между физическими величинами, которое устанавливается на основе обобщения опытных фактов и выражают объективные закономерности, существующие в природе.
.
Физика – наука фундаментальная .
Физика – наука естественная . Фундаментальность означает, что законы или принципы не могут быть доказаны логическим путём. Их доказательством является опыт.
«Называем мы их фундаментальными потому, что законы их действия фундаментально просты»
F = GmM/r2
«Высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных законов , из которых путём чистой дедукции можно получить картину мира. К этим законам ведёт не логический путь, а только основанная на проникновении в суть опыта интуиция»
«Высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных законов, из которых путём чистой дедукции можно получить картину мира. К этим законам ведёт не логический путь, а только основанная на проникновении в суть опыта интуиция»
«Что такое время, пространство, место и движение, я не объясняю, так как это известно всем»
Международная система единиц СИ: основные механические единицы: метр (м); килограмм (кг); секунда (с).
Секунда – это промежуток времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний электромагнитного излучения, соответствующее переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 в отсутствие внешних полей (атомные часы).
Метр – это длина пути, проходимая светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.
Килограмм – масса платино-иридиевого тела в Международном бюро мер и весов в Севре (близ Парижа).
«Из наблюдений установлять теорию, через теорию исправлять наблюдения , - есть лучший всех способ к изысканию правды»
«Из наблюдений установлять теорию, через теорию исправлять наблюдения, - есть лучший всех способ к изысканию правды»
«Мысленные рассуждения произведены бывают из надёжных и много раз повторённых опытов»
А будет ли убегать кипящее под вакуумом молоко?
Основной метод исследования в физике является опыт, эксперимент, т.е. наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздать его каждый раз при повторении этих условий.
- Наблюдение
- Размышление
- Гипотезы, модели, теории
- Эксперимент
Из-за таяния поперечные вдвое быстрее , чем вертикальные .
Из-за таяния поперечные размера айсберга уменьшаются вдвое быстрее , чем вертикальные .
Айсберг абсолютно неустойчив, если его характерные поперечные размеры на 20% меньше размеров вертикальных
размер модельного «айсберга»:10х10х8 см3
температура воды t0 = 20 0C
время переворота T = 30 минут.
- Каковы размеры «айсберга» непосредственно перед опрокидыванием?
- Через какое время опрокинется реальный айсберг с размерами 500х500х400 м3 в океане при температуре 5 °С? Каковы размеры перевернувшегося айсберга?
Если толщина растаявшего льда x, то к моменту переворота:
(a0 – 2x) = 0,8(c0 - x) x = 3 см
Размеры перевернувшегося модельного «айсберга» 4х4х5 см3
Реальный айсберг с размерами 500х500х400 м3 к моменту переворота будет иметь размеры 200х200х250 м3. Толщина растаявшего льда X = 150 м.
Переворот произойдёт через время:
τ = τ0(X/x) (t0/t) ≈ 1год и 2 месяца.
Принцип относительности
Принцип относительности
Все законы природы имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчёта
Все физические явления протекают одинаково в различных ИСО.
ИСО – система, связанная со свободно движущимся телом.
существенные
Модель – это идеальный объект, отражающий существенные для данного явления свойства.
На вопрос, что существенно, а что нет может ответить только опыт.
Примеры моделей: материальная точка, абсолютно твёрдое тело, идеальная жидкость, идеальный газ.
Принцип относительности: «Дайте движение кораблю, и притом с какой угодно скоростью ; тогда (если только движение его будет равномерным, а не колеблющимся туда и сюда) вы не заметите ни малейшей разницы»
Принцип относительности: «Дайте движение кораблю, и притом с какой угодно скоростью; тогда (если только движение его будет равномерным, а не колеблющимся туда и сюда) вы не заметите ни малейшей разницы»
Закон инерции: «…если бы все сопротивления были уничтожены, то его (тела) движение было бы вечно равномерным, если бы плоскость простиралась в бесконечность» («неистребимо запечатлённое движение»).
Законы свободного падения: скорость нарастает пропорционально времени, а путь - пропорционально квадрату времени.
Научный метод – наблюдение, размышление и опыт
Все тела, независимо от их массы , в поле тяжести Земли приобретают одинаковые ускорения (падение в вакууме)
Все тела, независимо от их массы, в поле тяжести Земли приобретают одинаковые ускорения (падение в вакууме)
Гипотеза: скорость нарастает линейно → закон нечётных чисел: S1: S2:S3 …= 1:3:5…
Эксперимент: жёлоб Галилея
Жёлоб Галилея: закон нечётных чисел
Свободное падение вблизи Земли: H = 4,9 м за секунду; R = 6380 км; r = 384000 км ≈ 60,2R h = H/60,22 ≈ 1,352 мм
Что на самом деле? Рассчитаем «падение Луны»: T = 27,3 суток; скорость Луны v = 2πr/T ≈ 1,02 км/с; за секунду Луна падает на hr = (vt)2/2r ≈ 1,355 мм h ≈ hr
На дне стакана, стоящего на весах, сидит муха. В какой момент весы начнут чувствовать, что муха улетела?
Какие движения должен совершать человек, чтобы вращать обруч?
С какой скоростью должен бежать по воде человек , чтобы не тонуть?
Почему жидкий азот (-195 0С) можно лить на руку, не боясь «ожога»?
Какого цвета будет казаться красная жидкость, если сосуд с ней поместить в сосуд с синей жидкостью?
«Есть две бесконечные вещи - Вселенная и человеческая глупость. Впрочем, насчёт Вселенной я не уверен».
Природа физики
Физика (от древнегреческого — природа) — область естествознания, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Всё естествознание базируется на законах физики.
Физика — одна из самых старых академических дисциплин, возможно самая древняя благодаря астрономии. За последние два тысячелетия, физику сочли синонимичной с философией, химией и определенными ветвями математики и биологии. Но в течение «Научной Революции» в XVI веке физика становиться уникальной современной наукой с её собственным правом. Однако, в некоторых областях, типа в математической физике и квантовой химии, границы физики остаются трудноразличимыми.
Физика является существенной и влиятельной дисциплиной, частично потому, что авансы благодаря решению ряда вопросов часто были связаны с переходом на новые технологии, и также новые идеи в физике часто резонируют с другими науками, как математикой, философией. Например, авансы в понимании электромагнетизма или ядерной физики вели непосредственно к развитию новых направлений, которые радикально преобразовали современное общество (например, телевидение, компьютеры, специальные устройства и ядерное оружие); авансы в термодинамике приводили к развитию моторизованного транспорта; и авансы в механике, точной механике и оптике предвосхитили развитие вычислительно-измерительной техники и нанотехнологии.
Предмет физики
Физика — это наука о природе в самом общем смысле. Она изучает вещество (материю) и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи. Некоторые свойства являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии — такие свойства называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики.
Например, химия изучает молекулы и образованные из них вещества. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, которых описываются в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.
Физика тесно связана с математикой — математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось физических теорий.
История физики
Айзек Ньютон (1643-1727). Начиная со старины, люди пробовали понять поведение естественного мира. Одна большая тайна была предсказуемым поведением астрономических объектов, типа Солнца и Луны. Несколько теорий были предложены, большинство которых были опровергнуты.
Философ Тальз (приблизительно 624-546 до н.э) сначала отказался принять различные сверхествественные, религиозные или мифологические объяснения естественных явлений, объявляя, что каждый случай имел естественную причину. Рано физические теории были в значительной степени изложены в философских определениях и никогда не были проверены систематическим экспериментальным испытанием, которое популярно сегодня. Многие из обычно принимаемых работ Птолемея и Аристотеля, как не всегда находят, соответствуют каждодневным наблюдениям (Тальз).
Даже в этом случае, много древних философов и астрономов дали правильные описания атома и астрономии. Leucippus (первая половина 5-ого столетия до н.э) изначально предложил «атомизм», в то время как Архимед создал много правильных количественных описаний механики, статики и гидростатики, включая объяснение принципа рычага.
Средневековье видело появление экспериментальной физики, берущей начало среди средневековых мусульманских физиков. Самым известным был Alhazen, который руководствовался современной физикой, в значительной степени, берущей начало среди ранних современных европейских физиков, самым известным — Айзеком Ньютоном, который основывался на работах Галилео Галилеи и Джохэйннса Кеплера. В XX-ом столетии работа Альберта Эйнштейна создала новое направление в физике, которое используется в настоящее время.
Теоретическая и экспериментальная физика
Главными ветвями физики являются:
- Экспериментальная физика;
- Теоретическая физика.
Хотя может показаться, что они разделены, поскольку большинство физиков являются или чистыми теоретиками, или чистыми экспериментаторами, это на самом деле не так. Теоретическая и экспериментальная физика развивается в постоянном контакте. Над одной и той же проблемой могут работать как теоретики, так и экспериментаторы. Первые — описывают существующие экспериментальные данные и делают теоретические предсказания будущих результатов, вторые — проводят эксперименты, проверяя существующие теории и получая новые результаты.
Многие достижения в физике были вызваны экспериментальным наблюдением явлений, не описываемых существующими теориями (например, экспериментально обнаруженная абсолютность скорости света породила специальную теорию относительности), так же как и некоторым теориям удалось предсказать результаты, проверенные позже (например, открытие позитрона).
Макроскопическая физика
- Механика
- Специальная теория относительности
- Общая теория относительности и гравитация
- Термодинамика
- Физика сплошных сред
- Аэродинамика
- Физика твёрдого тела
- Механика разрушения твёрдых тел
- Физика полупроводников
- Физика металлов
- Физика диэлектриков
- Теория упругости
- Гидродинамика/Гидростатика
- Физика плазмы
- Электродинамика
- Электричество
- Магнетизм
- Оптика
- Геометрическая оптика
- Квантовая оптика
- Волновая оптика
- Волновая оптика в природе
- Кристаллооптика
- Молекулярная оптика
- Нелинейная оптика
- Акустика
- Акустооптика
Микроскопическая физика
- Статистическая физика
- Физика конденсированных сред
- Физика твёрдого тела
- Физика атомов и молекул
- Физика наноструктур
- Квантовая физика
- Квантовая механика
- Квантовая теория поля
- Квантовая электродинамика
- Ядерная физика
- Физика элементарных частиц
- Физика гиперядер
Разделы физики на стыке наук
- Астрофизика
- Агрофизика
- Биофизика
- Геофизика
- Космология
- Радиофизика
- Физика атмосферы
- Техническая физика
- Материаловедение
- Математическая физика
- Физическая химия
§ 1. ФИЗИКА КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА О ПРИРОДЕ. МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ
Что изучает физика
Физика - это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства и законы движения объектов окружающего мира.
Физиков интересует, из чего все состоит, каково происхождение мира, в котором мы живем, что ждет наш мир в далеком будущем и какова суть наблюдаемых нами явлений. Собственно говоря, это интересует каждого из нас.
Слово «фундаментальный» означает «основной», недаром основу дома называют фундаментом. Когда говорят, что физика - это фундаментальная наука, то имеют в виду, что эту науку интересуют основы основ - ее интересы простираются от малейших частиц вещества, таких как атомы, протоны, нейтроны, электроны, нейтрино, кварки... до крупнейших образований - планет, звезд, черных дыр, галактик, квазаров. Для этих исследований созданы различного типа и назначения приборы, от микроскопов (рис. 1.1) до телескопов (рис. 1.3).
Рис. 1.1. Микроскоп
Как физики изучают природу. Физические явления
Вы наверное давно заметили, что мир вокруг нас постоянно меняется. Яблоки с дерева падают вниз, а шары, наполненные гелием поднимаются вверх. Изменения в природе, называют явлениями.
События происходят в определенном порядке, то есть с течением времени: сначала мы, например, видим молнию (рис. 1.2), а затем слышим гром. Если вас заинтересовало какое-то явление, вы должны себе задать вопрос: «Почему так происходит, в чем тут причина?»
Явления имеют разную природу. Падение яблока и полет воздушного шара - это механическое движение. Гром - это звуковая волна, а молния - это свет, электричество и много других сопутствующих явлений. Свет, как и звук, имеет волновую природу, но эти волны существенно отличаются. Звук - это механическая волна, которая распространяется в определенной среде - твердом, жидком или газе. Свет - это электромагнитная волна, которая может распространяться даже в вакууме. Скорость света в вакууме (300 000 км/с) примерно в 900 000 раз больше скорости звука в воздухе (около 330 м/с).
Рис. 1.2. Явление молнии
Физика основана на фактах, полученных в результате наблюдений. Наблюдения часто бывают случайными, но факты добывают в результате планомерно проводимых экспериментов, используя физические приборы и проводя измерения. Добытые факты нужно объяснить - так появляются предположения, которые в науке называют гипотезами. Проверенные многими исследователями гипотезы становятся теориями.
Физики изучают явления природы с помощью физических приборов и объясняют их с помощью физических теорий.
Видеть общее и отличия
Любознательным хочется все знать, но как этого достичь, когда невозможно запомнить даже часть фактов из энциклопедии? Так, знать все - невозможно, но можно понять очень много вещей с помощью теории. Хорошая теория при помощи немногих принципов объясняет огромный объем явлений и фактов.
Одним из признаков творческого ума является способность замечать подобное и различия при сравнении различных явлений. Известный английский физик Исаак Ньютон, наблюдая за падением яблока, сумел связать это явление с вращением Луны вокруг Земли а Земли вокруг Солнца. В результате ему удалось открыть один из наиболее знаменитых физических законов - закон всемирного тяготения. Сила притяжения управляет не только падением тел и Солнечной системой, но и целыми скоплениями звезд - галактиками, а также скоплениями галактик.
Таким образом всего один закон поставил на место тысячи разрозненных явлений, объединив их в систему.
Наблюдаем за небом
Когда мы смотрим на звездное небо, нас поражает грандиозность и величие Космоса. Люди наблюдают за небом уже много тысячелетий, частично из любопытства, а в основном из практических потребностей, и занимаются этим астрономы. Но объяснили и по-настоящему поняли увиденное именно физики.
Солнце - ближайшая к нам звезда - это раскаленная газовый шар, диаметр которого примерно 1,5 млн. км, а наша планета находится от нее на расстоянии 150 млн. км. Температура на «поверхности» Солнца достигает 6000 градусов, а в центре она составляет уже 15 млн. градусов. При таких температурах происходят термоядерные реакции, которые дают возможность заре излучать энергию на протяжении десятков миллиардов лет. Откуда же все это стало известным?!
Рис. 1.3. Любительский телескоп
Физические приборы в астрономии. Объект - свет
Физические приборы широко используются учеными других специальностей. В результате взаимодействия физики и астрономии возникли новые науки - космическая физика и астрофизика.
Оказывается, что свет несет значительную информацию о зарю: а) температуру; б) она приближается к нам или удаляется; в) скорость движения г) из каких веществ она состоит.
Физические приборы, установленные на телескопах позволяют измерить все эти физические величины и определить точность этих измерений. Первый линзовый телескоп построил итальянский физик Галилео Галилей, а первый зеркальный телескоп - английский физик Исаак Ньютон.
Физики научились расшифровывать информацию, которая приносит не только видимый свет, но и невидимое инфракрасное и ультрафиолетовое свет, а также радиоволны и рентгеновские и гамма-лучи (которые, кстати, также распространяются со скоростью света).
Рис. 1.4. Галактика М 31 находится так далеко, что свет от нее идет до нас примерно 2,8 млн. лет (за одну секунду свет преодолевает 300 000 км). Это одно из ближайших к нам звездных скоплений, и наша Галактика - Млечный путь (Galaxy - лат. «молоко») - очень на нее похожа
Галактики
Современные телескопы (рис. 1.5) дают возможность видеть звездные системы - галактики, которые находятся на огромных расстояниях от нас. На рисунке 1.3 изображен фотографию соседней с нами галактики М 31, которая наблюдается в созвездии Андромеды.
В ясную погоду темной ночью на небе можно увидеть светлую полосу, которая тянется через весь небосвод - Млечный путь - скопление такого огромного количества звезд, что наш глаз их не различает. Это вид изнутри на Нашу Галактику (или Млечный Путь), которая подобна М 31 и насчитывает около 200 млрд. зрение и имеет диаметр 100 000 световых лет (световой год - это расстояние, что ее проходит свет за один год). Этот своеобразный звездный диск делает один оборот за 250 млн. лет. Наша Солнечная система наше Солнце и планеты, которые вращаются вокруг него) расположена достаточно далеко от центра Галактики (около 35 000 световых лет).
Рис. 1.5. Большой телескоп Крымской астрофизической обсерватории
Расстояние от самых дальних галактик до нас свет преодолевает примерно за 14 млрд. лет. Это означает, что мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Таким образом, мощный телескоп позволяет заглянуть в прошлое Вселенной и играет роль своеобразной машины времени.
Подведем итоги
При изучении явлений окружающего мира физики делают опыты и вычисления, на основе которых создаются физические теории.
Физики научились получать и передавать информацию с помощью света и радиоволн.
Полученные физиками знания дают нам возможность понимать окружающий мир и способствуют прогрессу человечества.
Творческие задания
1.1. Внимательно рассмотрите рис. 1.2. Сколько вопросов вы сможете задать об явление молнии, изображенное на рисунке?
1.2. Где находятся крупнейшие в мире телескопы? Их размеры и характеристики?
1.3. Что общего и чем отличаются видимый свет и инфракрасное и ультрафиолетовое свет?
1.4. Которая основное отличие телескопов, сконструированных двумя выдающимися физиками, Ньютоном и Галилеем?
Упражнение 1
1. Которые а) маленькие и б) крупнейшие объекты исследует физика?
2. Приведите примеры физических приборов.
3. Для каких нужд используют в физике приборы?
4. Приведите примеры: а) механических; б) звуковых, тепловых, г) электрических и д) световых явлений.
5. Какова природа света?
6. Как ученые определяют состав звезд, их температуру и скорость?
7. Назовите несколько разновидностей телескопов, которыми исследуют Вселенную.
8. Почему телескоп можно назвать своеобразной «машиной времени»?
9. Физический закон «руководит» падением тел и движением планет?
10. С какой скоростью распространяется свет?
11. Какое расстояние называют световым годом»?
12. Какое расстояние в километрах от нас до Солнца?
13. Какая температура на а) поверхности и б) в центре Солнца. в) Почему слово «поверхность» в тексте параграфа взято в кавычки?
14. Что представляет собой Млечный путь?
15. Сколько зрение насчитывает наша Галактика?
16. Как далеко от нас находится «край» Вселенной?
17. Почему мы сначала видим молнию, я только потом слышим гром?
18. Во сколько раз расстояние от Земли до Солнца больше диаметра Солнца?
19. Вычислите, какое расстояние в километрах проходит свет за а) одну минуту, б) час в) сутки г) один год?
20. Во сколько раз Солнце больше земли?
21. Выразите скорость света в м/сек.
22. Почему телескопы строят высоко в горах, или выносят за пределы атмосферы?
23. На какое расстояние от Земли уже распространились в космос сигналы наших радиостанций?
24. Почему, когда мы смотрим ночью на звездное небо, оно кажется похожим на сферический купол? Так и говорят - «небесная сфера».
С незапамятных времен люди начали проводить систематические наблюдения за явлениями природы, стремились подметить последовательность происходящих явлений и научились предвидеть ход многих событий в природе. например, смену времен года, время разливов рек и многое другое. Эти свои знания они использовали для определения времени посева, уборки урожая и т.п. Постепенно люди убедились в том, что изучение явлений природы приносит неоценимую пользу.
Тогда появились ученые, которые посвящали свою жизнь изучению явлений природы, обобщали опыт предыдущих поколений. Они записывали результаты наблюдений и опытов, сообщали свои знания ученикам. вначале учеными были жрецы, которым их знания позволяли держать народ в подчинении. Поэтому записи ученые делали в зашифрованном виде, а учеников тщательно отбирали и они должны были хранить свои знания в тайне.
Первые книги о явлениях природы, которые стали достоянием народа, появились в Древней Греции. Это способствовало быстрому развитию науки в этой стране и появлению многих выдающихся ученых.
Греческое слово «фюзис» в переводе означает природа , поэтому науку о природе стали называть физикой.
Величайший мыслитель древности Аристотель (384-322 до н.э.) в смысл слова «физика» (от греч. - природа) вкладывал всю совокупность сведений о природе, все, что было известно о земных и небесных явлениях. В русский язык термин «физика» был введен великим ученым-энциклопедистом, основоположником материалистической философии в России М.В.Ломоносовым (1711 - 1765).
Долгое время физику называли натуральной философией (философией природы), и она фактически сливалась с естествознанием. По мере накопления экспериментального материала, его научного обобщения и развития методов исследования из натуральной философии как общего учения о природе выделились астрономия, химия, физика, биология и другие науки . Этим обусловлена органическая связь физики с другими естественными науками.
Процесс длительного изучения явлений природы привел ученых к идее о материальности окружающего нас мира.
Материя есть объективная реальность существующая помимо нашего сознания и данная нам в ощущении (В.И.Ленин )
Материя включает в себя все, окружающее нас, и нас самих . То есть все, реально существующее в природе (а не в нашем воображении) материально.
Учение о строении материи является одним из центральных в физике. Оно охватывает два известных физике вида материи: вещество и поле. Материя существует не только в виде вещества - физических тел, но и в виде полей, например электромагнитного, гравитационного. Например радиоволны и свет нельзя назвать веществом. Они представляют собой особую форму материи – электромагнитное поле.
Вещество характеризуется дискретностью образования и конечной массой покоя.
Поле характеризуется непрерывностью и нулевой массой покоя.
Неотъемлемое свойство материи – движение. В философском смысле любое изменение, происходящее в природе, в окружающем нас мире, представляет собой движение материи. Движение есть способ существования материи.
Все материальные объекты (тела) не остаются неизменными. С течением времени изменяются их взаимное положение, форма, размеры, агрегатное состояние, физические и химические свойства и т. д.
Движение обнимает собой все происходящие во Вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением.
Физика изучает наиболее общие формы движения материи и их взаимные превращения, такие, как механические, молекулярно-тепловые, электромагнитные, атомные и ядерные процессы.
Подобное деление на формы движения условно, однако физика в процессе изучения обычно представлена именно такими разделами.
Накопленный веками опыт убедил ученых, что материя может видоизменяться , но никогда не возникает и не исчезает. Движение материи также может изменять свою форму (превращаться из одной формы в другую), но само движение материи не создается и не уничтожается. Т.е. окружающий нас мир есть вечно движущаяся и развивающаяся материя.
Всеобщей мерой движения материи во всех её формах является энергия, а неуничтожимость движения материи выражается законом сохранения энергии.
Материя существует в пространстве и во времени.
Пространство определяет взаимное расположение (одновременно существующих) объектов относительно друг друга и их относительную величину (расстояние и ориентацию).
Т.е. пространство характеризует протяженность материальных объектов. Оно непрерывно, изотропно (свойства при поворотах не меняются) и однородно. Описывается геометрией Евклида, т.е. трехмерное (в классической физике). Единицей пространства в СИ является 1 метр . Метр - 1,6 млн. длин световых волн атомов криптона , или длина пути, проходимого светом в вакууме за 1 / 299 792 458 с.
Время определяет последовательность явлений природы (материальных событий) и их относительную продолжительность (длительность).
В классической физике время характеризуется однородностью и непрерывностью. Не изотропно, т.е.течет в одном направлении.Единица измерения в СИ – 1 секунда. Секунда - время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Все явления природы происходят в пространстве в определенной последовательности и имеют конечную продолжительность. Следовательно, пространство и время не существуют сами по себе, в отрыве от материи, и материя не существует вне пространства и времени.
Общей мерой различных форм движения материи является энергия. Качественно различные физические формы движения материи способны превращаться друг в друга, но сама материя неуничтожима и несотворима. К такому выводу пришли еще античные философы-материалисты. Итак, физика - наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.
Физика - основа естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений. Она является наукой экспериментальной . Многие ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Факты остаются, а истолкование их иногда меняется в ходе исторического развития науки, в процессе все более глубокого понимания основных законов природы.
Роль естествознания в жизни людей велика. Естествознание является основой жизнеобеспечения – физиологического, технического, энергетического. Естествознание – это теоретическая основа промышленности и сельского хозяйства, всех технологий, различных видов производства, в том числе производства энергии, продуктов питания, одежды и т.д. Естествознание – это важнейший элемент культуры человечества, это один из существенных показателей уровня цивилизации.
Особенности естественнонаучного метода познания:
1. Носит объективный характер
2. Предмет познания типичен
3. Историчность не обязательна
4. Создает только знание
5. Естествоиспытатель стремится быть сторонним наблюдателем
6. Опирается на язык терминов и чисел
Метод - это совокупность приемов или операций практической или теоретической деятельности.
Методы научного познания включают так называемые всеобщие методы , т.е. общечеловеческие приемы мышления, общенаучные методы и методы конкретных наук. Методы могут быть классифицированы и по соотношению эмпирического знания (т.е. знания полученного в результате опыта, опытного знания) и знания теоретического, суть которого - познание сущности явлений, их внутренних связей.
Классификация методов научного познания
Следует иметь в виду, что каждая отрасль естествознания наряду с общенаучными применяет свои конкретно-научные, специальные методы, обусловленные сущностью объекта исследования. Однако зачастую методы, характерные для какой-либо конкретной науки применяются и в других науках. Это происходит потому, что объекты исследования этих наук подчиняются также и законам данной науки. Например, физические и химические методы исследования применяются в биологии на том основании, что объекты биологического исследования включают в себя в том или ином виде физические и химические формы движения материи и, следовательно, подчиняются физическим и химическим законам (вспомним «лестницу Кекуле», рассмотренную нами в первой лекции).
Всеобщих методов в истории познания - два: диалектический и метафизический. Это общефилософские методы.
Диалектический метод - это метод познания действительности в ее противоречивости, целостности и развитии.
Метафизический метод - метод, противоположный диалектическому, рассматривающий явления вне их взаимной связи и развития.
С середины 19-го века метафизический метод все больше и больше вытеснялся из естествознания диалектическим методом.
Соотношение общенаучных методов
Анализ - мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части.
Синтез - объединение познанных в результате анализа элементов в единое целое.
Обобщение - процесс мысленного перехода от единичного к общему, от менее общего, к более общему, например: переход от суждения «этот металл проводит электричество» к суждению «все металлы проводят электричество», от суждения: «механическая форма энергии превращается в тепловую» к суждению «всякая форма энергии превращается в тепловую».
Абстрагирование (идеализация) - мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследования. В результате идеализации из рассмотрения могут быть исключены некоторые свойства, признаки объектов, которые не являются существенными для данного исследования. Пример такой идеализации в механике - материальная точка , т.е. точка, обладающая массой, но лишенная всяких размеров. Таким же абстрактным (идеальным) объектом является абсолютно твердое тело .
Индукция - процесс выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов, т.е. познание от частного к общему. На практике чаще всего применяется неполная индукция, которая предполагает вывод о всех объектах множества на основании познания лишь части объектов. Неполная индукция, основанная на экспериментальных исследованиях и включающая теоретическое обоснование называется научной индукцией. Выводы такой индукции часто носят вероятностный характер. Это рискованный, но творческий метод. При строгой постановке эксперимента, логической последовательности и строгости выводов она способна давать достоверное заключение. По словам известного французского физика Луи де Бройля, научная индукция является истинным источником действительно научного прогресса.
Дедукция - процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему. Она тесно связана с обобщением. Если исходные общие положения являются установленной научной истиной, то метом дедукции всегда будет получен истинный вывод. Особенно большое значение дедуктивный метод имеет в математике. Математики оперируют математическими абстракциями и строят свои рассуждения на общих положениях. Эти общие положения применяются к решению частных, конкретных задач.
Аналогия - вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов или явлений в каком-либо признаке, на основании установленного их сходства в других признаках. Аналогия с простым позволяет понять более сложное. Так, по аналогии с искусственным отбором лучших пород домашних животных Ч.Дарвин открыл закон естественного отбора в животном и растительном мире.
Моделирование - воспроизведение свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге - модели. Модели могут быть реальными (материальными), например, модели самолетов, макеты зданий. фотографии, протезы, куклы и т.п. и идеальными (абстрактными), создаваемые средствами языка (как естественного человеческого языка, так и специальных языков, например, языком математики. В этом случае мы имеем математическую модель . Обычно это система уравнений, описывающая взаимосвязи в изучаемой системе.
Исторический метод подразумевает воспроизведение истории изучаемого объекта во всей своей многогранности, с учетом всех деталей и случайностей.
Логический метод - это, по сути, логическое воспроизведение истории изучаемого объекта. При этом история эта освобождается от всего случайного, несущественного, т.е. это как бы тот же исторический метод, но освобожденный от его исторической формы .
Классификация - распределение тех или иных объектов по классам (отделам, разрядам) в зависимости от их общих признаков, фиксирующее закономерные связи между классами объектов в единой системе конкретной отрасли знания. Становление каждой науки связано с созданием классификаций изучаемых объектов, явлений.
Классификация - это процесс упорядочивания информации. В процессе изучения новых объектов в отношении каждого такого объекта делается вывод: принадлежит ли он к уже установленным классификационным группам.
Методы эмпирического и теоретического познания:
Наблюдение - целенаправленное, организованное восприятие предметов и явлений. Научные наблюдения проводятся для сбора фактов, укрепляющих или опровергающих ту или иную гипотезу и являющихся основой для определенных теоретических обобщений.
Эксперимент - способ исследования, отличающийся от наблюдения активным характером. Это наблюдение в специальных контролируемых условиях. Эксперимент позволяет, во-первых, изолировать исследуемый объект от влияния побочных несущественных для него явлений. Во-вторых, в ходе эксперимента многократно воспроизводится ход процесса. В третьих, эксперимент позволяет планомерно изменять само протекание изучаемого процесса и состояния объекта изучения.
Измерение - это материальный процесс сравнения какой-либо величины с эталоном, единицей измерения. Число, выражающее отношение измеряемой величины к эталону, называется числовым значением этой величины.
Интуиция. Особым способом постижения истины является интуиция. Это вид знания, которое возникает как бы внезапно, как озарение у человека, долгое время пытавшегося решить мучивший его вопрос. Интуитивное познание является непосредственным - способ его осуществления не осознается человеком. Однако, после того, как задача решена, ход ее решения может быть осознан и проанализирован. Интуиция, таким образом, есть качественно особый вид познания, в котором отдельные звенья логической цепи познания остаются на уровне бессознательного.
Формы научного знания:
Факт , как явление действительности, становится научным фактом , если он прошел строгую проверку на истинность. Факты - это наиболее надежные аргументы как для доказательства, так и для опровержения каких-либо теоретических утверждений.
Научные проблемы - это осознанные вопросы, для ответа на которые имеющихся знаний недостаточно. Ее можно определить и как «знание о незнании».
Научная гипотеза - такое предположительное знание, истинность или ложность которого еще не доказано, но которое выдвигается не произвольно, а при соблюдении ряда требований, к которым относятся следующие.
- Отсутствие противоречий. Основные положение предлагаемой гипотезы не должны противоречить известным и проверенным фактам. (При этом следует учитывать, что бывают и ложные факты, которые сами нуждаются в проверке).
- Соответствие новой гипотезы надежно установленным теориям. Так, после открытия закона сохранения и превращения энергии все новые предложения о создании «вечного двигателя» более не рассматриваются.
- Доступность выдвигаемой гипотезы экспериментальной проверке , хотя бы в принципе (см. ниже - принцип верифицируемости).
- Максимальная простота гипотезы.
Категории науки - это наиболее общие понятия теории, характеризующие существенные свойства объекта теории, предметов и явлений объективного мира. Например, важнейшими категориями являются материя, пространство, время, движение, причинность, качество, количество, причинность и.т.п.
Законы науки отражают существенные связи явлений в форме теоретических утверждений. Принципы и законы выражаются через соотношение двух и более категорий.
Научные принципы - наиболее общие и важные фундаментальные положения теории. Научные принципы играют роль исходных, первичных посылок и закладываются в фундамент создаваемых теорий. Содержание принципов раскрываются в совокупности законов и категорий.
Научные концепции - наиболее общие и важные фундаментальные положения теорий.
Научная теория - это систематизированные знания в их совокупности. Научные теории объясняют множество накопленных научных фактов и описывают определенный фрагмент реальности (например, электрические явления, механическое движение, превращение веществ, эволюцию видов и т.п.) посредством системы законов.
Главное отличие теории от гипотезы - достоверность, доказанность. сам термин теория имеет множество смыслов. Теория в строго научном смысле - это система уже подтвержденного знания, всесторонне раскрывающая структуру, функционирование и развитие изучаемого объекта, взаимоотношение всех его элементов, сторон и теорий.
Новые теории создаются в соответствии с некоторым образцом парадигмой.
Научная теория должна выполнять две важнейшие функции, первой из которых является объяснение фактов , а вторая - предсказание новых, еще неизвестных фактов и характеризующих их закономерностей .
Научная теория - одна из наиболее устойчивых форм научного знания, но и они претерпевают изменения вслед за накоплением новых фактов. Когда изменения затрагивают фундаментальные принципы теории, происходит переход к новым принципам, а, следовательно, кновой теории . Изменения же в наиболее общих теориях, приводят к качественным изменениям всей системы теоретического знания. в результате чего происходят глобальные естественнонаучные революции и меняется научная картина мира.
Научная картина мира - это система научных теорий, описывающая реальность. Подробнее о научных картинах мира, их эволюции будет сказано в следующей лекции.
Процесс научного познания
Определив формы научного знания и методы научного познания, мы можем схематично представить весь процесс научного познания в виде некоторой схемы:
