Физика как наука

Содержание 1. Что изучает физика 2. Некоторые физические термины 3. Наблюдения и опыты 4. Физические величины и их измерен ие 5. Точность и погрешности измерени й 6. Физика и техника 1. Что изучает физика Слово «физика» происходит от греческого слова «фю зис», что означает природа. Оно впервые появилось в сочинениях одного из величайших мыслителей древности - Аристотеля, жившего в IV в. до нашей эры. В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломон осовым, когда он издал в России первый учебник физики в перевод е с немецкого языка. Физика - одна из основных наук о природе. Если внимательно приглядеться к происходящему в окружающем нас мире, то можно заметить, что в нем происходят разнообразные изменения, или явлени я. Изменения, происходящие с телами и веществами в окружающем мире, называю т явлениями. Так, например, кусочек льда, внесенный в теплую комнату, начнет таять. Вода в чайнике, поставленном на огонь, закипит. Если по проволоке пропустить э лектрический ток, то она нагреется и может даже раскалиться докрасна (ка к в электрической лампочке). Таяние льда, кипение воды, падение камня, нагревание проволоки током, вет ер, гром - все это различные явления. В физике изучают: механические, электрические, магнитные, тепловые, звук овые и световые явления. Все эти явления называют физическими. Любые превращения вещества или про явления его свойств, происходящие бе з изменения состава вещества, называют физическими явлениями. Может ли одна такая наука, как физика, изучить множество явлений? Физика обладает необыкновенной особенностью. Изучая самые простые явл ения, можно вывести общие законы. Например, изучая свободное падение шариков, имеющих разный размер, с раз личной высоты, можно установить законы, которые будут выполняться при па дении других тел. Задача физики состоит в том, чтобы открывать и изучать законы, которые св язывают между собой различные физические явления, происходящие в приро де. Например, выяснено, что причиной падения на Землю различных тел является их притяжение Землей. Смена дня и ночи объясняется тем, что Земля вращает ся вокруг своей оси. Одна из причин возникновения ветра - неравномерное н агревание воздуха и т. д. Изучением природы занимаются и другие науки: биология, химия, география, астрономия. Все эти науки применяют законы физики. Например, в географии они необходимы для объяснения климата рек, образования ветров и других я влений. В астрономии законы физики используют при изучении строения и ра звития небесных тел. 2. Некоторые физические термины В физике, кроме обычных слов, используют специальн ые слова, или термины, обозначающие физические понятия. Некоторые из так их слов постепенно вошли в нашу разговорную речь. Например, такие, как «эл ектричество», «энергия», «сила» и др. В физике каждое из окружающих нас тел (песчинку, камень, Луну) принято назы вать физическим телом или просто телом. Физические тела - это ручка, листок, капля воды, теннисный мяч и т. д. Всякое тело имеет форму и объем. Все то, из чего состоят физические тела, называют веществом. Железо, медь, резина, воздух, вода - все это различные вещества. Вода - вещество, капля воды - физическое тело, алюминий – вещество, алюмин иевая ложка - физическое тело. Вещество - это один из видов материи. А словом «материя» в науке называют в се, что есть во Вселенной. Материя - это все то, что существует во Вселенной независимо от нашего соз нания (небесные тела, растения, животные и др.). Примерами другого вида материи являются свет, радиоволны. Нам известно, что радиоволны реально существуют, несмотря на то что мы их не видим. Изучая физику, вы будете постоянно расширять свои знания, узнавать новые термины и тем самым постигать язык этой интересной науки. 3. Наблюдения и опыты Многие знания получены людьми из собственных набл юдений. Для изучения какого-либо явления необходимо прежде всего наблюд ать его и по возможности не один раз. Чтобы изучить такое явление, как паде ние тел на Землю, недостаточно один раз увидеть, как падает то или иное тел о. Следует выяснить, будет ли разница в падении тела легкого и тяжелого. Од инаково ли падают тела различных размеров с разной высоты? Это можно узн ать, если много раз наблюдать случаи падения тел. Конечно, ждать, пока какое-либо тело упадет само, не стоит. Для этого берут разные тела и заставляют их падать. Тем самым вызывают явление падения т ел, иными словами, проводят опыт. Во время опытов обычно выполняют измере ния. Опыты отличаются от наблюдений тем, что их проводят с определенной целью , по заранее обдуманному плану. Для составления такого плана лучше всего иметь предварительные догадки о том, как протекает явление, т. е. выдвинут ь гипотезу. Выдвигая ту или иную гипотезу, ученые с помощью физического эксперимент а находят подтверждение физической теории или ее опровержение. Чтобы получить научные знания об окружающем нас мире, необходимо обдума ть и объяснить результаты проведенных опытов, найти причины наблюдаемы х явлений, сделать выводы. Известна легенда об итальянском ученом Г. Галилее. Для того чтобы изучит ь, как происходит падение тел, Галилей ронял разные шары с наклонной башн и в г. Пизе. Проделав такие опыты, ученый получил подтверждение своей гипо тезы и открыл закон падения тел. Таким образом, источниками физических знаний являются наблюдения и опы ты. 4. Физические величины и их измерение В быту, технике, при изучении физических явлений ча сто приходится выполнять различные измерения. Так, например, изучая паде ние тела, необходимо измерить высоту, с которой падает тело, массу тела, ег о скорость, время падения. Высота, масса, скорость, время и т. д. являются физ ическими величинами. Физическую величину можно измерить. Измерить какую-нибудь величину - это значит сравнить ее с однородной вел ичиной, принятой за единицу. Так, например, измерить длину стола - значит сравнить ее с другой длиной, к оторая принята за единицу длины, например с метром. Для каждой физической величины приняты свои единицы. Для удобства все страны мира стремятся пользоваться одинаковыми едини цами физических величин. С 1963 г. в Рос сии и других странах применяется Международная система единиц - СИ (сист ема интернациональная). В этой системе основной единицей длины является метр (1 м), единицей времени - секунда (1 с), единицей массы - килограмм (1 кг). Часто применяют единицы, которые в 10, 100, 1000 и т. д. раз больше принятых единиц (к ратные). Эти единицы получили наименования с соответствующими приставк ами, взятыми из греческого языка. «Дека» - 10, «гекто» - 100, «кило» - 1000 и др. Если используются единицы, которые в 10, 100 и 1000 и т. д. раз меньше принятых един иц (дольные), то применяют приставки, взятые из латинского языка. «Деци» - 0,1, «санти» - 0,01, «милли» - 0,001 и др. Для проведения опытов необходимы приборы. Одни из них очень просты и пре дназначены для простых измерений. К таким приборам можно отнести: измери тельную линейку, рулетку, измерительный цилиндр и др. По мере развития физики приборы усложнялись и совершенствовались. Появ ились амперметры, вольтметры, секундомеры, термометры. Измерительные приборы, как правило, имеют шкалу. Это значит, что на прибор е нанесены штриховые деления, а рядом написаны значения величин, соответ ствующие делениям. Расстояния между двумя штрихами, возле которых напис аны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены е ще на несколько делений. Эти деления иногда не обозначены числами. Определить, какому значению величины соответствует каждое самое малое деление, нетрудно. Так, например, возьмем измерительную линейку. Цифрами 1, 2, 3, 4 и т. д. обозначены расстояния между штрихами, которые разделены на 10 од инаковых делений. Следовательно, каждое деление (расстояние между ближа йшими штрихами) соответствует 1 мм. Эта величина называется ценой деления шкалы прибора. Перед тем как приступить к измерению физической величины, следует опред елить цену деления шкалы используемого прибора. Для того чтобы определить цену деления, необходимо: - найти два ближайших штриха шкалы, возле которых написаны значения вели чины; - вычесть из большего значения меньшее и полученное число разделить на ч исло делений, находящихся между ними. Определим цену деления термометра. Возьмем два штриха, около которых нанесены значения измеряемой величин ы (температуры). Например, штрихи с обозначениями 10 °С и 20 °С. Расстояния между этими штриха ми разделены на 10 делений. Следовательно, цена деления будет равна: = 1 °С Следовательно, термометр показывает 24 °С. 5. Точность и погрешность измерений Всякое измерение может быть выполнено с большей ил и меньшей точностью. В качестве примера рассмотрим измерение длины бруска демонстрационным метром с сантиметровыми делениями. Вначале определим цену деления линейки. Она будет равна 1 см. Если левый конец линейки совместить с нулевым штрихом, то правый будет н аходиться между 11 и 12 штрихами, но ближе к 11. Какое из этих двух значений следует принять за длину бруска? Очевидно, то, которое ближе к истинному значению, т. е. 11 см. Считая, что длина бруска 11 см, мы доп устили неточность, так как брусок чуть длиннее 11 см. В физике допускаемую при измерении неточность называют погрешностью и змерений. Погрешность измерения не может быть больше цены деления измер ительного прибора. В нашем случае погрешность измерения бруска не превышает 1 см. Если такая точность измерений нас не удовлет воряет, то можно произвести измерения с большей точностью. Но тогда прид ется взять масштабную линейку с миллиметровыми делениями, т. е. с ценой де ления 1 мм. В этом случае длина бруска окажется равной 11,4 см. Из этого примера видно, что точность измерений зависит от цены деления ш калы прибора. Чем меньше цена деления, тем больше точность измерения. Точность измерен ия зависит также от правильного применения измерительного прибора, рас положения глаза при отсчете по прибору. Вследствие несовершенства измерительных приборов и наших органов чувс тв при любом измерении получаются лишь приближенные значения, нескольк о большие или меньшие истинного значения измеряемой величины. Во время выполнения лабораторных работ или просто измерений следует сч итать, что: погрешность измерений равна половине цены деления шкалы измерительного прибора. Измерим длину шариковой ручки. Нулевую отметку линейки совместим с одни м концом ручки, а другой ее конец окажется вблизи 14 см. Цена деления линейки 1 мм, тогда погрешность измерения будет равна 0,5 мм или 0,05 см . Следовательно, длину ручки можно записать в виде: l = (14 ± 0,05) см, где l - длина ручки. Истинное значение длины ручки находится в интервале от 13,95 см до 14,05 см . При записи величин, с учетом погрешности, следует пользоваться формулой : А = а ± ∆a, где А - измеряемая величина, а - результат измерений, ∆a - погрешность измерений (∆- греч. буква «дельта»). 6. Физика и техника Развитие физики сопровождалось изменением представлений л юдей об окружающем мире. Отказ от привычных взглядов, возникновение новы х теорий, изучение физических явлений характерно для физики с момента за рождения этой науки до наших дней. Важное значение имеют открытия в области физики для развития техники. На пример, двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение автомоби ли, тепловозы, речные и морские суда, был создан на основе изучения теплов ых явлений. С развитием науки в технике за последние десятилетия произошли грандио зные изменения. То, что раньше считалось научной фантастикой, сейчас является реальност ью. Сегодня трудно представить нашу жизнь без видеомагнитофона, компьют ера, мобильной и интернет-связи. Современное кино, телевидение, радио, магнитная запись - все это возникло после того, как были изучены многие звуковые, световые и электрические я вления. В свою очередь, развитие техники влияет на развитие науки. Так, например, у совершенствованные машины, компьютеры, точные измерительные и другие п риборы используются учеными при исследовании физических явлений. Посл е того как были созданы современные приборы и ракеты, стало возможным гл убже изучить космическое пространство. Подобных примеров можно привести множество. Открытия, сделанные в науке , есть результат упорного труда многих ученых разных стран. Рассмотрим некоторые этапы развития физики. Возникновение физической теории связано с именем выдающегося английск ого физика и математика Исаака Ньютона. Обобщив результаты наблюдений и опытов своих предшественников (Н. Кеплера, Г. Галилея), Ньютон создал огром ный труд «Математические начала натуральной философии ». В этой работе у ченый изложил важнейшие законы механики, которые были названы его имене м. Законы Ньютона привели к бурному развитию представлений о механическ ом движении. Дальнейшее развитие физики определилось изучением тепловых и электром агнитных явлений. Стремление ученых проникнуть в глубь тепловых процес сов привело к зарождению идей о молекулярном строении вещества. Исследования электромагнитных явлений коренным образом изменило науч ную картину мира. Оказалось, что нас окружают физические тела и поля. Общу ю теорию электромагнитных явлений создал Джеймс Максвелл. Теория Максвелла объяснила природу света и помогла разработке новых те хнических приборов и устройств, основанных на явлениях электромагнети зма. Новый этап бурного развития физики начался в ХХ в. Возникли и стали разви ваться новые направления: ядерная физика, физика элементарных частиц, фи зика твердого тела и др. Возросла роль физики и ее влияние на технический и социальный прогресс. Свой вклад в развитие современной физики внесли в идные ученые России: Н. Г. Басов, П. Л. Капица, Л. Д. Ландау, Л. И. Мандельштам, А. М. Прохоров и др. Ярким подтверждением связи науки и техники явился огромный прорыв в обл асти изучения космоса. Так, 4 октября 1957 г . в нашей стране был запущен первый в мире искусственный спутник Земл и, а 12 апреля 1961 г. Юрий Алексеевич Гаг арин стал первым космонавтом. Его полет длился 1 ч 48 мин. 21 июля 1969 г. впервые была осуществлена посадка на Луну ам ериканского космического корабля с астронавтами на борту: Нейлом Армст ронгом и Эдвином Олдрином. Большой вклад в научную и техническую разрабо тку космических полетов сделал Сергей Павлович Королев. Здесь названы лишь основные этапы развития физики и перечислены немног ие из выдающихся людей науки, сделавших важные открытия, благодаря котор ым развивалась эта наука.