Разделы физики

Введение[править | править код]

Появление квантовой механики привело к огромной революции не только в физике, но и в смежных дисциплинах — в химии это объяснило структуру молекул и позволило предсказывать свойства новых соединений (см. квантовая химия). Квантовая теория помогла развитию и техники полупроводников, без которой совершенно немыслима современная электроника, а также способствовала созданию квантовых генераторов излучения — лазеров, прочно вошедших в повседневную жизнь человека.

Важнейшее последствие открытий в квантовой физике, теории относительности и ядерной физике — овладение ядерной энергией. Это наиболее известное широкой публике достижение физики.

Большой взрыв и расширение Вселенной

Наиболее впечатляющим достижением физики середины XX века, которое должно иметь огромные последствия для мировоззрения и философии — открытие расширения Вселенной, а впоследствии открытия существования «начала Вселенной» — Большого взрыва.

Сейчас крупные фундаментальные открытия происходят и ожидаются в астрофизике и в космологии. В космологии обнаружили существование тёмной материи и тёмной энергии — невидимой современными инструментами материи и энергии, которая, однако, участвует в гравитационном взаимодействии. Тёмная материя и энергия составляет подавляющую долю в массе вещества Вселенной и определяет её эволюцию и дальнейшую судьбу. Недавно открытое впечатляющее проявление тёмной энергии — ускорение расширения Вселенной. Важнейшее открытие астрофизики — обнаружение планетных систем у далёких звёзд (см. Экзопланеты). Это поможет ответить на важнейший вопрос — одиноко ли человечество во Вселенной, а также позволит выяснить, ограничено ли время жизни цивилизации, см. Уравнение Дрейка.

«Стандартная Модель» в физике элементарных частиц даёт нам законы поведения микромира практически при всех доступных человечеству энергиях. Однако она является не «окончательной теорией», а лишь низкоэнергетическим проявлением неких более глубоких, пока не известных нам законов. Поэтому поиск не предсказываемых Стандартной Моделью эффектов, которые были бы окном в мир «новой физики», является важным направлением современной физики элементарных частиц. Такие эффекты ищутся как на ускорителях, так и в неускорительных экспериментах.

В настоящее время физики интересуются не только «фундаментальными» эффектами (в частности, происходящими при высоких энергиях), но и «сложными», т. е. эффектами, которые описываются давно известными фундаментальными законами, но происходят в очень сложных для понимания (неравновесных и нелинейных) системах многих частиц. Построенная современной физикой картина окружающего мира не только позволяет предсказывать его изменения, но и подчеркивает принципиальную ограниченность таких предсказаний. Так, развитие теории устойчивости и нелинейной динамики привело к открытию спонтанного возникновения хаоса в детерминированных системах.

Основные теории[править | править код]

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 — Гармонический осциллятор
Электромагнетизм	Электростатика — Электричество — Магнитостатика — Магнетизм — Уравнения Максвелла	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 — Кривизна пространства-времени — Чёрная дыра

Школьный курс физики

Школьный курс физики — системообразующий для естественнонаучных учебных предметов, поскольку физические законы лежат в основе содержания курсов химии, биологии, географии и астрономии. Физика — наука, изучающая наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы ее движения. Основные понятия физики и ее законы используются во всех естественных науках.

Физика изучает количественные закономерности природных явлений и относится к точным наукам. Вместе с тем гуманитарный потенциал физики в формировании общей картины мира и влиянии на качество жизни человечества очень высок.

Физика — экспериментальная наука, изучающая природные явления опытным путем. Построением теоретических моделей физика дает объяснение наблюдаемых явлений, формулирует физические законы, предсказывает новые явления, создает основу для применения открытых законов природы в человеческой практике. Физические законы лежат в основе химических, биологических, астрономических явлений. В силу отмеченных особенностей физики ее можно считать основой всех естественных наук.

В современном мире роль физики непрерывно возрастает, так как физика является основой научно-технического прогресса. Использование знаний по физике необходимо каждому для решения практических задач в повседневной жизни. Устройство и принцип действия большинства применяемых в быту и технике приборов и механизмов вполне могут стать хорошей иллюстрацией к изучаемым вопросам.

Знание физических законов необходимо для изучения химии, биологии, физической географии, технологии, ОБЖ.

Физика в основной школе изучается на уровне рассмотрения явлений природы, знакомства с основными законами физики и применением этих законов в технике и повседневной жизни.

Цели изучения физики в основной школе следующие:

• развитие интересов и способностей учащихся на основе передачи им знаний и опыта познавательной и творческой деятельности;

• понимание учащимися смысла основных научных понятий и законов физики, взаимосвязи между ними;

• формирование у учащихся представлений о физической картине мира.

Достижение этих целей обеспечивается решением следующих задач:

• знакомство учащихся с методом научного познания и методами исследования объектов и явлений природы;

• приобретение учащимися знаний о физических величинах, характеризующих эти явления;

• формирование у учащихся умений наблюдать природные явления и выполнять опыты, лабораторные работы и экспериментальные исследования с использованием измерительных приборов, широко применяемых в практической жизни;

• овладение учащимися такими общенаучными понятиями, как природное явление, эмпирически установленный факт, проблема, гипотеза, теоретический вывод, результат экспериментальной проверки;

• понимание учащимися отличий научных данных от непроверенной информации, ценности науки для удовлетворения бытовых, производственных и культурных потребностей человека.

С учётом того, что в 7 — 9 классах формируются основы физических знаний, курс предусматривает достаточно подробное и обстоятельное изложение теоретического материала, методик решения задач и проведения экспериментальных работ.

Подробное изложение рассчитано на учеников с разными способностями и умениями и предполагает самостоятельную работу с текстом, в частности для устранения затруднений в усвоении темы или для получения ответа на возникший вопрос. Таким образом, реализуется требование к метапредметным результатам освоения образовательной программы, связанным с формированием умений самостоятельно приобретать знания, овладевать основными способами учебной деятельности.

Содержание и глубина изложения учебного материала делают возможным реализацию разноуровнего обучения. При этом разноуровневым сделан и теоретический, и задачный, и контрольный материал, что даёт возможность всем обучающимся освоить курс физики на уровне требований ФГОС, а определённой части учеников подготовиться к обучению в классах с углублённым изучением предмета.

Значение физики в современном мире

Определение

Физика — это наука о наиболее общих законах природы, о материи, ее структуре, движении и правилах трансформации.

Многими исследователями физика считается фундаментальной отраслью знаний, так как иные научные дисциплины, такие как биология, география или химия, описывают конкретные материальные системы, их структуру и динамику, опираясь при этом на физические законы. Например, химические свойства атомов определяются их физическими характеристиками.

Важность физики для современного мира невозможно переоценить. Открытия в этой области науки существенно преобразили повседневную жизнь людей практически в каждом уголке планеты

Приведем несколько примеров:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

Появление телефонов, в том числе и мобильных, которые обеспечили быструю, почти мгновенную связь людей между собой вне зависимости от разделяющего их расстояния.
Изобретение компьютеров, что привело к возможности в сжатые сроки обрабатывать огромные массивы данных и информации.
Разработка автомобилей, вертолетов, самолетов и иных видов транспорта, которые увеличили мобильность людей и грузов.
Применение в строительстве: знание физики обеспечивает стойкость возведенных зданий, так как учитываются совершенно разные и многообразные факторы — устойчивость материалов к внешнему воздействию тепла, воды, ветра, возможность противостояния катаклизмам и природным явлениям.
Возрастающее значение в медицине: физические открытия позволяют совершенствовать диагностику на ранних стадиях (например, изобретение рентгена или использование тонометров и электрокардиограмм), а также сделать процесс лечения и даже оперативного вмешательства более точным, безболезненным и безопасным (проведение операций с помощью лазерных аппаратов).

Примечание

Однако следует помнить, что с физикой же связаны и некоторые вопросы и явления, которые привлекают внимание и беспокойство общественности, к примеру, утилизация радиоактивных отходов или эксплуатация атомных электростанций

Предмет и значение физики в современном мире

Физика – это наука о естествознании, в общем смысле слова является частью природоведения. Предметом ее изучения является материя, в виде полей и вещества, а также общие формы ее движения. Также к предмету изучения физики можно отнести фундаментальные природные взаимодействия, которые управляют движением материи.

Общими для всех материальных систем являются некоторые закономерности, которые называются физическими законами. Часто физику называют фундаментальной наукой, поскольку иные естественные науки (биология, химия, геология) описывают только конкретные классы материальных систем, которые подчиняются физическим законам.

Предмет изучения химии – атомы, вещества, что состоят из них, а также превращение одних веществ в другие. Химические свойства любого вещества определяются физическими свойствами молекул и атомов, которые описываются в таких разделах физики, как электромагнетизм, термодинамика и квантовая физика.

Физика тесно связывается с математикой, поскольку она представляет механизм, при помощи которого физические законы могут формулироваться максимально точно. Все физические законы практически всегда формулируются в виде уравнений. Причем в данном случае используются наиболее сложные разделы математики, нежели в других науках. И наоборот, потребностями физической науки стимулировалось развитие большинства областей математики.

Значение физики в современном мире очень велико. Все, чем отличается нынешнее общество от общества прошлых столетий, возникло в результате применения физических открытий.

Исследования в сфере электромагнетизма привели к возникновению стационарных и мобильных телефонов. Благодаря открытиям термодинамики получилось создать автомобиль, а развитие электроники спровоцировало возникновение компьютерной техники. Фотоника дает возможность создать принципиально новые компьютеры и фотонную технику, которые стремительно замещают современную электронную технику и приспособления. А развитие газодинамики дало рождение самолетам и вертолетам.

Знание физических процессов, которые постоянно происходят в природе, углубляются и расширяются. Большая часть новых и современных открытий получает технико-экономическое применение, зачастую в промышленности.

Перед современными исследователями регулярно возникают новые задачи и загадки – всплывают явления, для объяснения которых необходимо разрабатывать новые физические теории. Несмотря на большой опыт приобретенных знаний, современная физика еще далека от того, чтобы объяснить все природные явления.

Общие научные основы методов физики разрабатываются в методологии науки и в теории познания.

Экспериментальная и теоретическая физика

Определение

Экспериментальная физика — это способ познания природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально приготовленных условиях.

Роль эксперимента в изучении окружающего нас мира была признана не сразу, а лишь начиная со времен Галилея и его последователей. До этого в науке превалировал иной подход, которому учили в Древней Греции: более надежными данными считались такие, которые получены путем размышления, в то время как реальными опытами можно было пренебречь.

Примечание

Экспериментальная физика тесно связана с теоретической: негативные результаты эксперимента сообщают о неприменимости физической теории к нашему миру. Однако согласие эксперимента с теорией не говорит о верности и корректности последней.

Кроме того, экспериментальная физика должна включать в себя исключительно описание результатов, но не их интерпретацию, однако на практике это невозможно. Это происходит потому, что теоретическая физика обеспечивает исследователей знанием, как ведут себя все элементы экспериментальной установки.

Определение

Теоретическая физика — это такой способ познания природы, в котором широко используется создание теоретических (в первую очередь математических) моделей явлений и сопоставление их с реальностью, а также объяснение последней.

В основе методологии данного раздела физической науки лежит аксиома о том, что по какой-либо причине описание природных явлений и процессов посредством построения математических моделей высокоэффективно.

Конечным результатом теоретической физики является физическая теория с определенным содержанием.

Признаки физической теории:

математическая непротиворечивость;
возможность получать внутри теории предсказания для экспериментов; согласие эксперимента с теорией.

Структура физической теории:

перечисление круга явлений, для изучения которых разрабатывается математическая модель;
аксиомы, определяющие свойства математической модели;
наблюдаемые физические объекты;
следствия математических аксиом и их эквиваленты в реальном мире.

Дополнительные, но крайне желательные элементы физической теории:

«Математическая красота»;
«Бритва Оккама» — методологический принцип, в кратком виде гласящий: «Не следует множить сущее без необходимости»;
склонность к прогнозированию;
«Принцип соответствия» — возможность встроить теорию в уже существующую с целью избежать дублирования информации.

Прикладная физика

Физика с самого своего рождения имела огромное прикладное значение, она развивалась вместе с механизмами, машинами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика часто применяется в инженерных науках, большинство физиков были изобретателями. Механика, как раздел физики, была тесно связана с сопротивлением материалов и с теоретической механикой, как с главными инженерными науками.

Термодинамика связана с конструированием тепловых двигателей и теплотехникой. Электричество напрямую связано с электроникой и электротехникой, для развития и становления которой были важны исследования в сфере физики твердого тела. Благодаря достижениям ядерной физики возникла ядерная энергия. Данный список можно продолжать долго.

Также физика имеет широкие междисциплинарные связи. На границе химии, физики и инженерных наук возникает и быстро развивается такая отрасль, как материаловедение. Химией используются инструменты и методы, что приводит к становлению двух исследовательских направлений: химической физики и физической химии.

Широких оборотов набирает биофизика, которая является областью исследований на границе между физикой и биологией, в которой все биологические процессы рассматриваются из атомарной структуры органических веществ. Геофизика изучает геологические явления и их физическую природу. Медицина применяет такие методы, как ультразвуковое исследование и рентгеновское облучение. Ядерный магнитный резонанс используется для диагностики, лазеры – для лечения глазных заболеваний, а ядерное облучение – в онкологии.

Основные разделы физики: что они изучают

Основные группы разделов:

макроскопическая физика;
микроскопическая физика;
междисциплинарные отрасли знаний.

Определение

Макроскопическая физика изучает явления и законы мира, в котором размеры объектов сопоставимы с размером человеческого тела.

Ее разделы:

Механика — изучает движение материальных тел и взаимодействие между ними. При этом уточняется понятие движения. Особенно выделяется классическая механика, которая имеет четко выделенные границы применимости: она не описывает движения в «микромире».
Общая теория относительности — уточняет специальную теорию относительности А. Эйнштейна, учитывает кривизну пространства.
Оптика — рассматривает явления, касающиеся распространения электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов спектра; вводит понятие света и изучает его особенности; включает в себя волновую, молекулярную, нелинейную и кристаллооптику.
Термодинамика — изучает наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах. Данный раздел физики уточняет понятие температуры. Термодинамика является одним из наиболее полных и изученных разделов физической науки.
Физика колебаний и волн — изучает физические явления, которые отличаются циклическим изменением физических величин во времени и в пространстве; выделяет колебательные (механические, электромагнитные, электромеханические колебания) и волновые процессы (упругие и электромагнитные волны).
Электродинамика — изучает электромагнитное поле и его электромагнитное воздействие. Объекты изучения — электромагнитное излучение, электрический ток и т.д., включает в себя электродинамику сплошных сред, магнитогидродинамику и электрогидродинамику.

Определение

Микроскопическая физика исследует «микромир», в котором объекты во много раз меньше человека.

Ее разделы:

Атомная физика — изучает строение и свойства атомов. Она получила развитие на рубеже XIX — XX веков, перемежается с ядерной.
Квантовая физика — изучает квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Она отличается исключительно описательным характером, включает в себя такие подразделы: квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая статистическая физика, квантовая оптика. Квантовая физика разрабатывалась А. Эйнштейном и многими другими исследователями.
Статистическая физика — изучает системы с произвольным числом степеней свободы. Она делится на статистическую механику, статистическую теорию поля физическую кинетику и квантовую статистику. Она оперирует такими понятиями, как фазовое пространство, статистический вес, статистическая сумма и т.д. Прогнозы носят вероятностный характер.
Физика конденсированных сред — занимается исследованиями макроскопических и микроскопических свойств вещества, особенно в таких обстоятельствах, когда количество составляющих элементов (например, атомов) достаточно велико и взаимодействия между ними интенсифицируются. Подразделами этой дисциплины являются физика твердого тела, жидкостей, атомов и молекул, а также наноструктур.
Ядерная физика — изучает структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции), оперирует такими понятиями, как атом, нейтрон, протон и др., имеет принципиальное значение для многих смежных дисциплин.

Междисциплинарные разделы (список основных отраслей):

Философские значения[править | править код]

Основная статья: Философские значения физики

Физика независимо ни от чего происходит от древней греческой философии. От первой попытки Тальза характеризовать вопрос c ограничением Демокрита, который должен быть в пределах инвариантного определения, от астрономии Птоломея — прозрачного небесного свода, и книги Аристотеля — Физика, до различных греческих философов, продвинувших собственные теории природы. Уже в XVIII веке физика была известна как «Естественная философия».

К XIX-ому столетию физика была понята как положительная наука и самостоятельная дисциплина, отделённая от философии и других наук. Физика, как и другие части науки, полагается на философию, чтобы давать адекватное описание научного метода. Научный метод использует априорно рассуждение как на основании опыта, так и при использовании вывода на базе проведенных экспериментов и измерений законности данной теории.

Правда должна когда-либо быть найдена в простоте, а не в разнообразии и беспорядке вещей. Айзек Ньютон

Развитие физики ответило на многие вопросы ранних философов, но также подняло новые вопросы. Исследование философских проблем, окружающих физику, философия физики, вовлекает проблемы, типа природы пространства и времени, (время) детерминизм, и метафизические перспективы, типа эмпиризма, натурализма и реализма.

Много физиков написали о философских значениях их работы, например, «лапласовской», автор корторой защищал причинный детерминизм, и Эрвин Шрзаджк0ксдинджер, который написал о Квантовой механике. Математического физика Роджера Пенроза назвали последователем учения Платона Стивена Хокингома (Роджер Пенроз). Представление Пенроза обсуждается в его книге «Дорога к Действительности».

История физики[править | править код]

Основная статья: История физики

Сэр Айзек Ньютон в 46 в 1689 портретах Годфри Неллера

Альберт Эйнштейн

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 руководствовлся 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 физикаправить | править код

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)

Классическая физика

Классическая физика — это отрасль физики, которая развивалась в течение первых веков существования этой науки и изучала явления, связанные с большими объектами, которые двигались со скоростью значительно ниже скорости света или которые, по крайней мере, могли быть изучены с помощью технологии времени.

Исаак Ньютон был пропагандистом классической физики, существовавшей с 17 до начала 20 века. Ветви, соответствующие этому времени, следующие:

Классическая механика: Это раздел физики, отвечающий за изучение и анализ движения объектов земного размера под действием естественных или искусственных сил.
Гидрология: Это раздел физики, изучающий движение жидких тел, их циркуляцию, распределение и свойства в океанах, на поверхности суши и в атмосфере.
Термодинамика: Это дисциплина, отвечающая за измерение тепловых изменений в теле, вызванных изменениями условий, в которых оно находится.
Акустика: Это раздел физики, целью которого является изучение механических волн, которые распространяются в среде и отвечают за звуки, инфразвук и ультразвук.
Оптика: Это раздел физики, который исследует природу света, рассматривая его как волну и анализируя его свойства.
Электромагнетизм: Это дисциплина внутри физики, которая объединяет электрические и магнитные явления в единую теорию, описывающую взаимодействие заряженных частиц, ответственных за эти явления.

Исаак Ньютон, один из самых известных физиков-классиков.

Что такое физика и что она изучает?

Поскольку Галилео Галилей осмелился сказать, что Земля не является центром Вселенной, пока Стивен Хокинг не рассказал нам о природе черных дыр, проходя через Исаака Ньютона, устанавливающего законы гравитации, великие личности внесли свой вклад в каждую из них. принципы, управляющие природой. Однако по мере того, как мы продвигаемся в познании Вселенной, тем больше мы осознаем ее сложность.

Эта чрезвычайная сложность природы явлений привела к тому, что физика как таковая должна специализироваться в различных областях, каждая из которых имеет свою область исследований. Хотя физику можно определить как науку, изучающую свойства материи и энергии, существует множество различных нюансов и объектов исследования.

В этой статье мы рассмотрим, что это за разделы физики., разделяя их как по историческому времени, в котором они возникли, так и по объекту исследования.

Прикладная физика

Определение

Прикладная физика — это комплекс научных дисциплин, разделов и направлений физики, в качестве цели которых выступает решение физических проблем для конкретных технологических и практических применений.

Необходимо отметить, что прикладная физика основывается на данных теоретической, так как основывается на основополагающих понятиях и законах. Поэтому, как и в случае с экспериментальным разделом, мы можем наблюдать тесную связь между ними.

Ввиду того, что физика — это фундаментальная наука, которая описывает все аспекты нашего мира, исследования в прикладной области зачастую междисциплинарные.