Основные понятия физики

Время – понятие, с помощью которого описываются
длительность и последовательность событий. Характеризует порядок смены явлений.

Вселенная – вся окружающая нас часть
материального мира, доступная наблюдению.

Длина волны – расстояние, на котором
совершается одно полное колебание в пространстве.

Замкнутая (закрытая) система – система,
в которой нет обмена веществом с другими системами (обмен энергией
допускается).

Масса – характеристика инерции тела и
его гравитационных свойств.

Открытая система – система,
обменивающаяся с другими системами (окружающей средой) энергией и веществом.

Пространство – понятие, с помощью
которого описываются свойства протяженного и взаимного расположения объектов.
Выражает порядок сосуществования отдельных объектов.

Работа – передача упорядоченного
движения от одной системы к другой.

Теплота – передача беспорядочного
движения от одной системы к другой.

Энергия – единая мера различных форм
движения материи.

Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) – мера необратимого рассеяния
энергии.

 Эффект
Доплера – изменение частоты волны вследствие движения наблюдателя и источника
относительно друг друга.

Разделы второй, третий и четвертый посвящены
развитию основных принципов и понятий естествознания в специальных науках. Эти
разделы соответствуют общепринятому в естествознании делению наук на науки о неживой природе и науки о живой природе. Кроме того, в
особый раздел выделены науки о Земле.
В науках о неживой природе целесообразно отметить следующие структурные уровни
организации материи: элементарные частицы (с подуровнем «субэлементарные
частицы»), атомы, молекулы, макроскопические тела, планеты, планеты,
звездно-планетарные системы, галактики, метагалактика.

Иногда в естественных науках выделяют
микромир, макромир, мегамир как основные уровни строения материи, которые
связаны друг с другом.

Микромир
– это мир непосредственно ненаблюдаемых объектов, имеющих пространственные
размеры от 10^-10 до 10^{-18 м. Время жизни этих объектов может достигать 10-24}
с.

Макромир
– мир объектов, размеры которых сопоставимы с масштабами человеческого
опыта.

Мегамир
– мир космических расстояний и скоростей, расстояние в котором измеряется
световыми годами. Время существования этих объектов достигает миллионов и
миллиардов световых лет.

ОБЩИЕ
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ

КОНЦЕПТУАЛЬНЫХ
СИСТЕМАХ ФИЗИКИ

Физика – это наука о наиболее простых и
вместе с тем наиболее общих свойствах тел и явлений. В любом явлении физика
выделяет то, что объединяет его со всеми другими явлениями природы. Физика уже
давно служит объектом пристального внимания философов. Но этот интерес
направлен главным образом на теорию относительности, квантовую механику,
вариационные принципы, а также на развиваемую в настоящее время теорию
объединения основных типов существующих в природе взаимодействий. Все упомянутые
теории тесно связаны с принципами, рассмотренными нами выше, поэтому здесь мы о
них упоминать не будем. Согласно одному из определений физики как науки, она
является учением о различных типах взаимодействия: гравитационным,
электромагнитном, сильном и слабом. Их изучают обычно с помощью концепции поля.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Каждая физическая величина представляет
собой произведение численного значения на единицу измерения. Очень интересен и
важен факт, что в физике может быть выделено всего семь основных величин (в
системе СИ). Все остальные физические величины, а их сотни, являются
производными от этих основных.

Есть другие обозначения единиц основных
физических величин. В системе СИ есть две дополнительные основные величины:
радиан и стерадиан. Система СИ является основной системой физики с 1960 г. Проанализируем
основные физические величины, представленные в табл. 1.

Понятие массы является одной из основных характеристик
материи. Ее величина входит как коэффициент пропорциональности в математические
выражения для импульса тела Р = mv и закона Ньютона
a = F/m. Масса в этих случаях является мерой инерции тела.

Вместе с тем масса – это источник поля
тяготения. Каждое тело создает поле тяготения, пропорциональное массе тела. В
настоящее время с очень большой точностью экспериментально установлено, что
инертная и гравитационная массы пропорциональны друг другу. Это фундаментальный
закон природы. Понятие массы приобрело более глубокий смысл в специальной
теории относительности. Однако природа массы – одна из важных и до конца не
решенных задач физики.

Понятие длины используется для описания
пространственных свойств тел или физических процессов. В физике помимо простых
расстояний между двумя точками пространства (или физического тела) имеют место
такие понятия, как «длина волны», «длина рассеяния», «длина свободного пробега»
и т.д.

Вопрос о том, что такое время, – это,
пожалуй, один из самых сложных вопросов. По мнению Р. Фейнмана, «время – это
одно из понятий, которое определить невозможно, но это нечто известное нам: это
то, что отделяет два последовательных события».

Не менее сложным и трудно поддающимся
определению является понятие температуры. В учебниках и словарях часто
приводятся не всегда удовлетворительные определения. Среди них можно выделить и
объяснение Р. Фейнмана. Основываясь на мысленных экспериментах с нагретыми
газами, он в итоге заключает, что «если два газа имеют одинаковую температуру,
то средние кинетические энергии молекул этих газов в системе центра масс равны.
Средняя кинетическая энергия – это свойство только «температуры». А будучи
свойством «температуры», а не газов, она может служить определением
температуры». Здесь возникает вопрос о шкале температуры. Но она была уже
выбрана так, что существует постоянный множитель к = 1,38^.10^-23 Дж, связывающий среднюю энергию и
термодинамическую температуру.

Моль в этой системе занимает особое
место: им называют количество данного вещества, содержащее столько же молекул,
сколько содержится атомов в 0,012 г углерода. С молем связан закон Авогадро – один из
важнейших в природе, имеющий формулировку, справедливую для газов, жидкостей и
твердых тел. Этот закон звучит так: «Моль любого вещества содержит одно и то же
число молекул». Число Авогадро характеризует собой связь между микромиром
(размерами молекул) и макромиром (размерами окружающих нас тел).

Количественной характеристикой
электрического тока является сила тока I (или плотность
электрического тока j). Электрический ток есть
упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. За направление
тока принимают направление движения положительных зарядов. Для возникновения и
существования электрического тока необходимо наличие свободных зарядов и силы,
создающей и поддерживающей их упорядоченное движение (обычно – силы
электрического поля). Способность вещества пропускать электрический ток
называется электропроводностью.

Основной единицей при изучении световых
явлений служит «кандела» (ранее употреблялась «свеча»). Свет – это видимое
излучение, т.е. электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых
человеческим глазом (4,0^.10¹⁴
– 7,5^.10¹⁴гц).
В более широком смысле под светом подразумевают, кроме видимого излучения,
также ультрафиолетовую и инфракрасную области спектра.

Все остальные физические величины
составлены из основных физических величин. Например, величина размерности для
энергии представляется следующим образом:

Дж
= (кг ^. м² ) / с².

Выбор основных единиц обусловлен
несколькими причинами: фундаментальностью стоящих за ними понятий и
сложившимися традициями их использования, возможностью воспроизводства этих
величин посредством эталонов или эталонных установок с наивысшей точностью,
соответствующей уровню развития науки и техники в данную эпоху. Системе СИ
предшествовали другие известные системы единиц. Во второй половине XIX в. на основе см, г, с
появились две системы единиц: электростатическая (СГЕС) и электромагнитная
(СГМС). На их основе возникла общефизическая симметричная система Гаусса (СГС).
В XX в. широкое распространение получили технические
системы единиц (МКГСС, МТС). Система СИ начала формироваться с 1901 г. на основе кг, м, с и одной электрической величины. На роль последней
претендовали ампер,
вольт и другие величины. Первенство
осталось за ампером, и постепенно к этим четырем величинам присоединились еще
три основные величины (и две вспомогательные).

ОСНОВНЫЕ
КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ:

Механика. В XVII–XVIII вв. механические законы претендовали на отражение
космической гармонии. Механика в ту эпоху захватила лидерство в естествознании
и удерживала его вплоть до середины XX в. XVII–XVIII вв. были
веками рационализма, и физика противостояла гегемонии механики.

За исходные категории мира Ньютон
принял: абсолютное пространство, абсолютное время, инертность тел этого мира и
их механические взаимодействия. Данные понятия не определяются и не
разъясняются, считается, что представления о них возникают у человека в
результате его практической деятельности в действительном мире. По-видимому,
Ньютона нисколько не заботил вопрос о том, откуда он берет свое абсолютное
время и как он может отличить свое «неподвижное» абсолютное пространство от
пространства, равномерно движущегося по отношению к «неподвижному».

Абсолютное пространство по самой
своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему. Оно всегда
остается одинаковым и неподвижным.

Абсолютное время (истинное
математическое время) само по себе и по самой своей сущности, без всякого
отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно; оно также называется
длительностью.

Различные свойства реальных тел
отражаются в механике с помощью тех или иных абстрактных понятий, основными из
которых являются «материальная точка» и «абсолютное твердое тело».

Материальная точка – это объект
пренебрежимо малых размеров, имеющий массу. Более простым является следующее
определение: материальной точкой
называется тело, форма и размеры которого несущественны в данной задаче.
Понятие «материальная точка» применимо тогда, когда, по условию задачи, тело
движется поступательно или когда в изучаемом движении можно пренебречь
вращением тела вокруг его центра масс.

Абсолютно твердое тело – это тело,
расстояние между любыми точками которого остается неизменным. Данное понятие
применимо в том случае, когда можно пренебречь деформацией тела. Существует и
другое определение. Абсолютно твердым телом называется тело, расстояние между
любыми двумя точками которого остается неизменным.

Формирование основ классической
механики началось с экспериментов Галилея. Бросая вниз с возвышения предметы
различного веса, Галилей быстро убедился в том, что вес падающего предмета не влияет на его движение. Используя
различные наклонные плоскости вплоть до угла 20^˚, он установил, что все тела движутся с постоянными
ускорениями, т.е. получают одинаковые приращения скорости за одинаковые
промежутки времени.

Масса и вес. В понятии «масса» сходятся несколько фундаментальных
понятий. Прежде всего, масса является мерой количества вещества. Тело содержит
одинаковое количество атомов независимо от того, находится ли оно на Земле, на
Луне или в космическом пространстве. Масса тела неизменна повсюду, в то время
как вес может изменяться. Вес – это сила, с которой тело действует на опору. В отличие
от силы тяжести, приложенной к телу, вес приложен к опоре и изменяется, если
опора движется ускоренно. Если же опора находится в покое или прямолинейном
равномерном движении, то вес тела совпадает с силой тяжести по величине и
направлению.

Согласно закону всемирного тяготения, любые два тела с массами m₁ и m₂
притягиваются друг к другу. Если тела считать материальными точками, т.е.
пренебречь их размерами по сравнению с расстоянием между ними R, то сила определяется формулой

 F = G · m₁ · m₂/ R²,

где
F – сила, направленная вдоль прямой, соединяющей
материальные точки; G – гравитационная постоянная
(универсальная мировая постоянная).

Через 70 лет после кончины Ньютона
значение универсальной гравитационной постоянной было определено выдающимся
английским ученым Г. Кавендишем, использовавшим для этой цели крутильные весы.
Он наблюдал отклонение чувствительных весов при поднесении большого свинцового
шара близко к одной из гирь. Значение G
допускает теоретическую оценку, в основе
которой лежит сравнение закона всемирного тяготения со вторым законом Ньютона.

Закон всемирного тяготения не точен.
Эйнштейну пришлось видоизменить его, однако это не сделало закон точным,
поскольку он не связан с квантовой теорией. Самым поразительным являются
простота и универсальность этого закона. Он действует сложно (сложна природа
гравитации), но его коренная идея проста, как простота и его форма.
Универсальность закона проявляется в том, что он действует на нашей планете, в
пределах Солнечной системы, в Галактике, в Метагалактике и, по-видимому, во
всей Вселенной.

Термодинамика. Классическая (феноменологическая) и статистическая
термодинамика рассматриваются в настоящее время совместно, как единая теория.
Однако исторически сложилось так, что основные постулаты этих теорий были
сформулированы раздельно. Рассмотрение основных постулатов в соответствии более
глубокое представление о концепциях термодинамики.

Постулаты термодинамики формулируются
так.

1. Изолированная система с течением
времени всегда приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда
самопроизвольно выйти из него не может.

2. Если мы имеем равновесие системы А,
В, С и если системы А и В порознь находятся в равновесии с системой С, то они
(системы А и В) находятся в термодинамическом равновесии и между собой
(свойство транзитивности термодинамического равновесия, или «нулевое начало
термодинамики»)

Дальнейшее развитие термодинамики
приводит к формулировке первого и второго начал термодинамики. Начала термодинамики
имеют много граней и соответственно много формулировок. Так ядром первого
начала является принцип эквивалентности, устанавливающий точную связь между
теплотой и работой. Это означает, что количества
работы и теплоты взаимопревращаются друг в друга в строго эквивалентном
соотношении. Первое начало является законом сохранения энергии с учетом
тепловых явлений. Сам закон сохранения энергии может быть сформулирован так: полная энергия замкнутой системы постоянна.

Электродинамика. Положительное и отрицательное
электричество известно с древних времен. Более 200 лет развивается теория
электричества. Носителем положительного
электричества являются протоны,
носителем отрицательного электричества –
электроны. Это значит, что если вещество имеет отрицательный заряд, то оно
содержит в избытке электроны; положительный заряд вызывается недостатком
электронов. Основное свойство электрических зарядов состоит в том, что
одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

В 1785 г. французский физик Ш.
О. де Кулон (1736-1806) подробно
исследовал электростатические силы посредством чувствительных крутильных весов,
аналогичных тем, которые применял Кавендиш для определения гравитационной
постоянной. Обобщив экспериментальный материал, Кулон вывел закон для
электростатической силы, который он выразил формулой

F = – q₁
q₂ /R²

где
q₁, q₂ – заряды
тел; R – расстояние между зарядами.

Перед правой частью стоит знак минус,
которого нет в выражении для F_гр и которой приведен затем, чтобы соблюсти условие:
сила притяжения имеет положительный, а сила отталкивания – отрицательный знак.
В законе всемирного тяготения всегда стоит плюс, поскольку все составные
элементы этой формулы положительны (масса всегда положительна). Если в формуле
для электрической силы отсутствует «электростатическая постоянная», аналогичная
G, то это формула записана в системе СГЕС
(сантиметр-грамм-секунда). В системе СИ в данной формуле появляется коэффициент
пропорциональности.

В качестве единицы заряда принимается
«кулон» [Кл]. Заряд электрона мал по сравнению с кулоном и равен е=1,602^.10^-19 [Кл].
Заряд 1 Кл приблизительно соответствует заряду 6,24^.10¹⁸ электронов, что близко к числу
Авогадро. С ампером кулон связан следующим образом: Кл = А·с. Еще одно полезное
соотношение: 1 ампер-ч (А·ч) = 3600 Кл.

При движении зарядов относительно друг
друга появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила
(объединяющая электрическую и магнитную) называется электромагнитной. Мы будем подразумевать, что электрические силы
(поле) – соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) – движущимся
зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов хорошо описывается системой
известных уравнений классической электродинамики (уравнениями Максвелла).
Охарактеризуем эти уравнения качественно посредством словесных определений.

Основными выводами, связанными с этими
уравнениями, являются следующие.

 Силу,
действующую на малое заряженное тело, удобно представить в виде

q · E,

где
q – его заряд (положительный или отрицательный); Е – так называемая напряженность
электрического поля.

Е есть сила, которая действовала бы на
тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Магнитный заряд отличается от
электрического тем, что невозможно полностью отделить полюсы друг от друга.
Магнитное поле всюду свободно, тогда как электрическое поле свободно в точках,
где нет зарядов.

Электрическое поле (покоящихся зарядов)
является безвихревым. Поле магнитной напряженности – вихревое.

Исходя из симметрии между электричеством
и магнетизмом, Максвелл предположил существование «тока смещения»,
обусловленного переменным электрическим полем (скорость изменения электрической
напряженности во времени).

ВОПРОСЫ
ДЛЯ СЕМИНАРОВ

1. По какой причине физика занимала
лидирующее место среди других естественных наук в течение последних столетий?

2. Что характерно для физического
изучения окружающей реальности?

3. Какие четыре концептуальные системы
(по Гейзенбергу) можно выделить в теоретической физике?

4. Из каких свойств вещества возникли
понятия «инертная» и «гравитационная» масса?

5. Что такое температура?

6. Какие условия необходимы для
существования электрического тока?

7. Каковы основные положения механики
Ньютона? Каким образом он «упростил» материальный мир, чтобы сформулировать
свои законы? Какие понятия ввел Ньютон?

8. В чем смысл «квантовой лестницы»
Вайскопфа?

9. Почему система уравнений
электродинамики Максвелла является замкнутой системой самосогласованных
уравнений?