Лекция № 1 Физические основы механики. Важнейшие этапы истории физики. Физические модели. Введение в курс.

Физика относится к точным наукам, изучает количественные закономерности явлений, ее законы лежат в основе всего естествознания. Она представляет собой основную науку об окружающем нас мире, так как имеет дело с такими свойствами мира, как время, пространство, материя, движение, электричество, свет и излучения.

То, что мы сейчас понимаем под словом «физика», сформировалось как наука совсем недавно, около 200 лет тому назад. До этого все ученые назывались «естествоиспытателями», а в древние времена просто «философами».

По-гречески «фило» — значит «любить», а «софия» — мудрость. Поэтому философами называли людей, любивших мыслить. Конечно, человек всегда задумывался над тем, как произошел мир, что лежит «в основе вещей», почему планеты движутся по небосклону, камень скатывается с горы в ущелье и т. п. Инстинктивно наши предки обобщали свои наблюдения над окружающим миром, пытаясь предсказать заранее, когда наступит засуха, произойдет затмение Солнца или наводнение.

Сегодня под естественными науками мы понимаем те области знания, в которых может быть проведен эксперимент, т. е. проверка тех гипотез, моделей, которые следуют из вновь выдвинутых или хорошо известных теорий. Тем самым естественные науки существенно расширили свою методологию по сравнению с философией, превратившись из чисто созерцательных в экспериментальные.

Физика — одна из естественнонаучных дисциплин, которая тесно переплетена со многими другими дисциплинами. Не всегда легко провести грань между собственно физикой и механикой, между атомной физикой и химией; существуют также и пограничные науки (например, геофизика, биофизика, химическая физика), активно использующие физические знания для решения задач другой области либо технических приложений. Впрочем, одну отличительную черту физики можно указать точно: физика — это наука об основополагающих закономерностях, определяющих процессы и явления в природе. Ее основная задача — выявлять фундаментальные черты нашего мира, предоставляя другим наукам основы знаний, открывая новые возможности инженерных решений, прорыв в новые технологии. Физика тесно связана с развитием нашего понимания природы, фактически она определяет современное естественнонаучное мировоззрение.

Помимо физиков-профессионалов, с физикой соприкасаются, так или иначе, специалисты самых различных профессий. Химик, использующий эффект Мессбауэра, биолог, изучающей строение вируса с помощью электронного микроскопа, археолог, применяющий метод радиоактивного датирования для определения возраста найденных им предметов быта древнего человека, металлург, определяющий по спектру излучения температуру расплавленного металла, инженер, проектирующий современные здания либо бытовую технику, — все они, быть может, непосредственно не ощущают необходимость понять, что такое волновая функция электрона или энтропия, но их работа базируется на достижениях естественных наук, и прежде всего физики. Поэтому физика является неотъемлемой частью профессионального образования в большинстве областей человеческой деятельности.

Физика подразделяется на экспериментальную, в основе которой лежит эксперимент, и теоретическую, цель которой состоит в формулировке законов природы, объяснении конкретных явлений и опытов, предсказаний новых явлений.

В соответствии с этим ученые, создающие установки и проводящие на них различные эксперименты называются физиками-экспериментаторами, а ученые более искусные в применении математики к решению физических задач – физиками-теоретиками. В.Франклин, М. Ломоносов, М. и П. Кюри, А. Ампер были физиками-экспериментаторами; И. Ньютон, А. Эйнштейн, Д. Максвелл – принадлежат к числу важнейших физиков-теоретиков. Многие законы физики представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке. Установление количественных законов, показывающих, как изменяется одна величина при изменении других – и есть важнейшая задача экспериментального исследования явлений. Такие законы с одной стороны указывают пути протекания явлений, а с другой, помогают создать их теорию и установить связь с другими явлениями.

В связи с многообразием форм движения материи, физика по видам ее движения подразделяется на механику, термодинамику и статистическую физику, электромагнетизм (включая оптику), квантовую физику, физику атома и ядра. Особо выделяют в физике учение о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебательных процессов различных явлений природы и методов их исследования. Механические, акустические, электрические и оптические колебания и волны рассматриваются с единой точки зрения. Закономерным этапом в развитии физики на сегодняшний день можно считать создание квантовой теории поля, которая распространяет квантовые принципы на системы с бесконечным числом степеней свободы.

Физики изучают явления, происходящие в неживой природе. На основе опытов и размышлений создаются модели явлений. Выдающиеся физики подчеркивали необходимость моделирования при построении физических теорий. Все они под моделью понимали либо конкретный образ изучаемого объекта, в котором отображаются реальные или предполагаемые его свойства, либо другой объект, реально существующий наряду с изучаемым и сходный с ним в отношении некоторых определенных свойств или структурных особенностей.

Модель – это объект, который воспроизводит явление, процесс или систему с целью их исследования или изучения. Различают математические и физические модели. Математические модели представляют собой идеализацию реальных объектов (материальная точка, абсолютно твердое тело, точечный источник света, идеальный газ и т.д.). Физические модели представляют собой уменьшенные копии, с сохранением всех свойств объекта (модель двигателя внутреннего сгорания, крыла самолета и т.д.).

Какие понятия изучает физика: понятие о физическом явлении (ФЯ), величинах (ФВ). Изучает физические законы (ФЗ), объекты, теории.

ФЯ – это изменение состояния объекта под воздействием другого объекта при определенных условиях. Примеры: движение, диффузия, поляризация волн, парообразование.

ФВ – количественная характеристика определенной стороны ФЯ или свойства объектов реальной действительности, одинакового у разных тел, имеющая обозначение и наименование.

ФЗ – выражают зависимость одних величин от других.

К физическим объектам можно отнести электромагнитное поле, волны, молекулы, разнообразные технические устройства.

Физика, как наука, начала развиваться с 16 века. К концу 19 века полностью сформировалась классическая физика. Во второй половине 19 века была создана теория электромагнитного поля, открыты электромагнитные волны. В начале 20 века создается теория относительности, развивается физика полупроводников, учение о квантах.