Предмет "Физика" - Физика в школе
Главное меню:
статьи
Предмет физики
Материя и ее движение. Материя есть объективная реальность, данная нам в ощущениях. Иными словами, материей мы называем все то, что, во-первых, существует независимо от нашего сознания и, во-вторых, воздействует на наши органы чувств при контакте с ними.
В настоящее время известны две формы материи: вещество (в твердом, жидком, газообразном, плазменном и сверхсжатом состояниях) и поле (гравитационное, действие которого существенно проявляется в мире больших тел; электромагнитное, проявляющееся и в макро- и микромире; специфические сильные и слабые поля, действующие заметным образом только в микромире между частицами, находящимися на малых расстояниях - 10-13 - 10-14 см — друг от друга).
Из вещества состоят все тела в природе. Поле — это такая форма материи, посредством которой осуществляются любые взаимодействия между любыми телами в природе.
В микромире, т. е. в самых глубинах материи, разница между веществом и полем стирается. Это подтверждает то, что материя едина, только свойства и проявления ее многообразны.
Движением материи называют любые ее изменения в пространстве и времени (перемещения планет, фотографирование, мышление и т. д.). Нельзя отрывать материю от пространства и времени, ибо всякий процесс протекает всегда где-то и когда-то. Понятия материя, пространство и время друг без друга смысла не имеют. Один из современных физиков, Хойл, специалист по теории пространства, времени и тяготения, на вопрос: «А что было бы, если б в мире ничего, кроме Солнца, не существовало?» ответил: «Солнце вобрало бы в себя все пространство и время». Это надо понимать так: если бы в мире было только Солнце, то материя существовала бы только на Солнце и процессы протекали бы только там; но поскольку вокруг Солнца материи не было бы, то и процессов никаких там протекать бы не могло, двигаться было бы нечему, а коль скоро так, то вне Солнца понятия пространства и времени не имели бы смысла. Действительно, понятие (пространство) связано с понятиями «ближе», «слева» и т. д. от такого-то тела; а этих тел-то и нет, — значит, нет и пространства в том смысле, в каком мы его понимаем. Аналогично и со временем: оно связано с понятиями «раньше», «позже», «одновременно» с каким-то событием, а событий-то и нет, поскольку нет тел,—значит, нет и времени в том смысле, в каком мы его понимаем.
Пространство не «мешок», а время не «река», как думали когда-то. Что такое пространство и время, каковы их свойства и структура—это фундаментальные и не решенные до конца проблемы. Но многие свойства пространства и времени нам уже известны, и, в частности, известно, что материя, пространство и время взаимосвязаны и взаимообусловлены — стоит измениться одному, как обязательно изменится другое. При этом «главным» объектом мира, определяющим свойства всех остальных объектов мира, является материя.
Предмет физики. Физика изучает простейшие виды движения материи, такие как механическое, волновое, атомно-молекулярное и т. д. Эти виды движения простейшие, но в то же время и фундаментальные, ибо они так или иначе входят в состав любых, сколь угодно сложных видов движения. Отсюда важность физики — основы современного естествознания. Физические методы исследования в силу их большой общности проникают в другие разделы естествознания (химию, биологию, астрономию и т. д.). Современные техника, индустрия, сельское хозяйство немыслимы в отрыве от физики.
Физика — наука опытная. Под этим надо понимать, что все установленные физические законы, все физические теории в основе своей почерпнуты из наблюдений и экспериментов. Результаты этих наблюдений и экспериментов обобщены и сформулированы в виде законов.
Даже «чистые теории», в основе которых казалось бы не лежит ни один опыт, где-то в своих истоках все же базируются (хотя бы косвенно) на опыте. Критерием же верности теории является опыт: если выводы теории не согласуются с опытом, противоречат ему, то теория явно не верна; если выводы теории согласуются с опытом, то это служит ее подтверждением, и нет нужды отвергать ее до, однако, тех пор, пока не появятся экспериментальные данные, не укладывающиеся в рамки этой теории; в этом случае теорию приходится пересматривать, а возможно и заменять новой, согласующейся со всеми известными к данному времени опытными данными.
Физика — наука точная. Это выражение надо понимать в том смысле, что физика имеет дело с количественными соотношениями, что языком физики является язык математических уравнений. И не надо это выражение понимать как утверждение того, что законы физики абсолютно точны. Как раз наоборот — все законы физики есть некоторое приближенное отображение действительных явлений, происходящих в мире.
Упрощение изучаемых объектов и явлений при их изучении— схематизация. В мире все явления настолько взаимосвязаны и взаимообусловлены, что отделить одно явление от другого в принципе нельзя. Изучать же всю совокупность явлений не представляется возможным. Компромиссная возможность изучения явлений заключается в том, что во всех явлениях есть существенные и несущественные характеристики, существенные и несущественные связи. Основой всякого изучения и является умение отделить существенное от несущественного в данных условиях и сконцентрировать внимание на главном. Например, нас интересует движение автомобиля. Совершенно очевидно, что характер движения автомобиля в данный момент, вообще говоря, зависит, например, от солнечной деятельности во времена Петра Великого, от настроения механика, осматривавшего автомобиль при выезде его на линию, от того, является ли день праздничным и т. д. Но почти наверняка мы не будем учитывать этих зависимостей, равно как и окраски автомобиля и числа гвоздей в подметке водителя. Будем ли мы учитывать качество бензина, мощность двигателя, размеры автомобиля, его массу, трение, профиль дороги? Очевидно, ответить на этот вопрос нельзя до тех пор, пока мы не поставим задачу более конкретно. Например, нас интересует, как скоро автомобиль пройдет большое расстояние по асфальту от А до В. Ясно, что здесь размеры автомобиля, наверное, роли не играют, и мы их учитывать не будем, равно как и прочность его бортов и т. д. Но может оказаться существенным качество бензина, мощность двигателя, профиль дороги и т. д. Если же нас заинтересует движение автомобиля по гаражу, то здесь весьма важным может оказаться как раз то, что мы не учитывали при его движении от А до В, например, размеры автомобиля и прочность его бортов.
При изучении уплотненного газа совершенно необходим учет сил взаимодействия между молекулами; при изучении же разряженного газа этими силами в определенном смысле пренебрегают.
Проведенная схематизация оправдывается совпадением сделанных из нее выводов с экспериментом. Нет возможности дать рецепт, по которому можно было бы отделять существенное от несущественного в любых явлениях.- Эта возможность приходит постепенно с приобретением личного опыта исследователя. Но помнить о сказанном здесь надо всегда.
Определение и закон, их математическая формулировка.
Определением физической величины называется соотношение, в котором подчеркивается основная ее особенность и дается способ определить ее численное значение. Например, определением среднего ускорения тела является равенство
и читается это равенство так: средним ускорением тела называется физическая величина, показывающая, как быстро меняется скорость тела с течением времени, и численно равная изменению скорости за единицу времени. Здесь сказано, что такое ускорение и дан способ его подсчета: надо изменение скорости разделить на то время, за которое оно произошло.
Еще примеры определений:
а. Средней силой тока называется количество электричества, прошедшего за единицу времени через сечение проводника:
б. Давлением называется величина, численно равная силе, действующей перпендикулярно поверхности тела на единицу ее площади.
Законом называется почерпнутый из опытов факт, справедливый для большого круга явлений. Например, закон Ома для однородного участка цепи читается так: сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка
Например, второй закон Ньютона можно прочитать так: ускорение, сообщенное телу внешней силей, прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально массе тела:
По виду все эти формулы очень похожи, но смысл их существенно различен: определение выражает в большей мере то, что нам захотелось выразить, закон — это соотношение, навязанное нам опытом, действительностью. Определение при желании можно было бы изменить; закон по своему произволу изменить нельзя, его можно уничтожить, когда опыт заставит нас это сделать и даст нам такую возможность.
Измерения и их точность. При любых исследованиях, наблюдениях, экспериментах приходится делать те или иные измерения. Очевидно, что точным никакое измерение быть не может, оно-всегда является приближенным. Точность измерения определяется видом и качеством приборов, умением экспериментатора, характером измеряемого объекта и т. д. Кроме того, при всяком измерении в процессе самого измерения (прикладывание линейки, включение амперметра и т. д.) мы искажаем в большей или меньшей мере измеряемый объект (измеряя/ линейкой резинку, мы невольно ее деформируем; включая в цепь амперметр, мы изменяем сопротивление цепи, а значит, измеряем не тот ток, который протекал по цепи до включения прибора). Иногда эти искажения удается в какой-то мере уменьшить или учесть. Но в принципе невозможно избавиться совсем от ошибок при измерениях и от изменения состояния объекта. Это надо учитывать при исследованиях и вычислениях. Особенно существенным является учет этих искажений и ошибок при измерений в микромире, где объекты столь «нежны», что даже малейшее воздействие на них при измерениях существенным образом изменяет состояние объекта и не дает нам возможности получить полной и точной информации об объекте.
Векторы и скаляры. Это две основные категории физических величин, которыми пользуются в курсе, общей физики. Математические операции над ними производятся по различным правилам. Является интересующая нас величина скаляром или вектором, определяется в конечном счете опытом, хотя при введении ее она заранее определялась так или иначе.