Dați o definiție a fizicii ca știință. Fizica este știința naturii
Conținutul articolului
FIZICĂ(din greaca veche physis - natura). Anticii numeau fizică orice studiu al lumii înconjurătoare și al fenomenelor naturale. Această înțelegere a termenului „fizică” a supraviețuit până la sfârșitul secolului al XVII-lea. Ulterior, au apărut o serie de discipline speciale: chimia, care studiază proprietățile unei substanțe, datorită particularităților structurii sale atomice, biologiei, care studiază organismele vii etc. În plus față de subiectele tradiționale de cercetare, care vor fi discutate mai jos, fizica se ocupă de probleme atât de diverse, cum ar fi comportamentul lubrifianților în mașini, formarea de legături chimice, stocarea și transmiterea informațiilor genetice în sistemele vii etc. Principiul unificator al fizicii ca știință rezidă nu atât în \u200b\u200bsubiectele cercetării, cât și în abordarea studiului lor, și acesta este ceea ce face fizica diferită de alte științe. Bazându-se pe anumite axiome și ipoteze, realizând experimente și folosind metode matematice, ea caută să explice întreaga varietate de fenomene naturale pe baza unui număr mic de principii reciproc coerente. Fizicianul speră că atunci când se cunoaște suficient despre fenomenele naturale și când sunt suficient de bine înțelese, multe alte fapte aparent disparate și fără legătură se vor încadra într-o schemă simplă care admite o descriere matematică.
ISTORIA FIZICĂ PUBLICĂ
Sunet
Studiul sunetului ne aduce din nou la antichitate, unde o tradiție vagă leagă începutul unor astfel de studii cu numele de Pitagora. În măsura în care se poate judeca, filosofii Greciei antice 500 de ani î.Hr. a investigat experimental diferențele dintre intervalele muzicale eufonice (consoane) și disonante (disonante). Au ajuns la concluzia că, dacă o coardă oscilantă este apăsată în diferite puncte și cu o smulgere, fiecare dintre cele două părți ale coardei este forțată să oscileze, atunci raportul „mai simplu” dintre lungimile celor două părți în care este împărțit coarda, cu atât va fi mai eufonic intervalul consonant al sunetelor. Rapoartele simple sunt înțelese ca rapoarte 2: 1, 3: 2, 4: 3 etc., corespunzătoare intervalelor muzicale ale unei octave, a cincea, a patra etc. Aceste intervale au stat la baza întregii armonii muzicale occidentale până în secolul al XIII-lea și, deși al patrulea nu mai este considerat un interval armonic, continuând seria pitagorică a rapoartelor până la 5: 4 și 6: 5, obținem treimi majore și minore - intervalele fundamentale ale muzicii occidentale din ultimii 500 de ani.
În ceea ce privește natura fizică a sunetului, multe erau deja cunoscute aici de Aristotel. În tratatul care a ajuns la noi sub formă de fragmente Sunet și auz (vezi opera Aristotelis... Ed. Academia regia borussica, v. 1-5, B, 1831-1870) oferă o descriere detaliată și exactă a propagării undelor sonore în aer. Arhitectul roman Vitruvius, familiarizat cu tradiția aristotelică, i-a dedicat una dintre cărțile sale Despre arhitectură (De architectura) (c. 10 î.Hr.) acustica teatrelor și a altor clădiri, punând astfel bazele științei cunoscute astăzi ca acustică arhitecturală. După Vitruvius, a existat o pauză în dezvoltarea acusticii, care a durat până în secolul al XVII-lea, când Galileo și Newton au preluat probleme acustice. Galileo a investigat diverse surse de sunet, în special corzile vibrante, și a arătat că frecvența vibrațiilor unui șir și, prin urmare, frecvența sunetului produs, este determinată de proprietățile sale fizice - lungimea, tensiunea și masa.
Newton și-a propus o sarcină mai dificilă - să descrie în limbajul matematicii procesul de propagare a unei unde sonore în aer. Analiza pe care a efectuat-o, pe baza datelor cunoscute pe atunci despre elasticitatea aerului, a dat o valoare teoretică a vitezei sunetului de 298 m / s, în timp ce din experimentele Flamsteed și Halley s-a obținut o valoare de 348 m / s. O astfel de discrepanță semnificativă ar putea fi explicată abia în 1816, când Laplace a subliniat că valoarea elasticității aerului, pe baza căreia se calculează viteza sunetului, ar trebui să difere de valoarea măsurată de obicei, deoarece modificările undei sonore apar foarte repede, iar echilibrul termic nu are timp să fie stabilit în aer. Prin introducerea unui amendament la calculele lui Newton în acest moment unic, Laplace a obținut o formulă care este în acord excelent cu cele mai exacte date experimentale. Astăzi, se pune adesea problema inversă: elasticitatea unui gaz este determinată de viteza de sunet măsurată în el.
Când mecanismul originii sunetului și natura acestuia au fost explicate pe baza legilor fundamentale ale mișcării, acustica a încetat să fie o disciplină pur speculativă, iar după Laplace dezvoltarea sa a continuat în trei direcții: nevoi practice (proiectarea sălilor de concert, crearea instrumentelor muzicale și a echipamentului de reproducere a sunetului), fiziologică și psihologică aspecte ale percepției sunetului și ale teoriei pure. A doua dintre direcțiile numite a dat naștere unei noi zone de cunoaștere fizică - o zonă foarte interesantă și dificilă, deoarece studiază procesul subiectiv, în esență același prin care este studiat. Aici fizica funcționează mână în mână cu alte câteva științe. Lucrările fundamentale asupra fiziologiei auzului și vederii aparțin lui G. Helmholtz (1821–1894). Cărțile lui Învățarea despre senzațiile auditive ca bază fiziologică pentru teoria muzicii(Sankt Petersburg, 1875) și Despre viziune (St. Petersburg, 1896), din toate punctele de vedere, sunt clasici științifici.
Esența sunetului este doar una dintre întrebările fizicii pure, iar răspunsul la acesta a fost primit de mult. Și totuși există puține alte ramuri ale fizicii ale căror aplicații ramificate ar trezi un astfel de interes general și, judecând după publicații, ar oferi o asemenea plăcere cercetătorilor care lucrează în ele.
Căldură și termodinamică
Chiar și acum câteva sute de ani, a prevalat ideea căldurii ca un fel de lichid caloric. Se credea că acest lichid se află în toate corpurile, iar temperatura sa depinde de cât de mult este în organism. Faptul că temperatura corpurilor în contact termic este nivelată a fost văzută ca o analogie cu stabilirea nivelului general de lichid în vasele comunicante. Teoria unui lichid caloric formulată de J. Black (1728-1799) ar putea explica o gamă largă de fenomene. Cu toate acestea, în unele puncte au fost întâmpinate dificultăți. De exemplu, este bine cunoscut faptul că, dacă gheața este încălzită, temperatura acesteia nu crește până când toată gheața s-a topit. Negrul a numit această căldură „latentă” (termenul „căldură latentă de fuziune” a supraviețuit până în prezent), ceea ce înseamnă că atunci când gheața se topește, căldura trece cumva în particule de apă fără a produce efectul obișnuit. Apa conține o cantitate mare de căldură latentă, iar când B. Rumford (1753-1814) a arătat că greutatea gheții în timpul topirii rămâne neschimbată, s-a decis că lichidul caloric este lipsit de greutate. Într-un alt experiment, desfășurat în arsenalul de la München, pe o mașină pe care erau alezate butoaiele de arme, Rumford a reușit să genereze o cantitate uriașă de căldură cu o cantitate mică de bărbierit de metal: pentru aceasta a forat un martor cu un burghiu bont timp de două ore și jumătate. Rumford a considerat că experiența sa a dovedit în mod convingător inconsecvența teoriei unui lichid caloric, dar susținătorii acestuia au obiectat că există o cantitate mare de lichid caloric în materie și chiar și atunci când se forează cu un burghiu bont, doar o mică parte din el este eliberată. Teoria calorică, împărțită în acest fel, a existat până în jurul anului 1850. Cu toate acestea, Democrit, cu mai bine de 2000 de ani mai devreme, a prezentat o altă ipoteză. Dacă materia constă din particule minuscule, atunci diferența dintre un solid și un lichid este determinată de puterea diferită a coeziunii lor. Dacă presupunem că la început, atunci când sunt încălzite, particulele unui solid încep să vibreze pur și simplu mai puternic, rămânând în locurile lor, atunci este rezonabil să presupunem că atunci când sunt încălzite la o anumită temperatură, particulele se vor desprinde din locurile lor, formând un lichid, iar la încălzire ulterioară, va avea loc următoarea transformare - lichidul va deveni gaz. Galileo a exprimat o idee similară în 1623, iar Descartes a scris în 1644 că „prin căldură și frig nu ar trebui să se înțeleagă decât accelerarea și decelerarea particulelor materiale”. Newton, care nu era de acord cu teoria lui Descartes cu privire la aproape toate problemele, a fost de acord cu aceasta asupra acestui punct.
Este bine cunoscut faptul că mișcarea corpurilor în prezența fricțiunii generează căldură și, dimpotrivă, căldura poate genera mișcare, așa cum se întâmplă într-un motor cu abur și un motor cu ardere internă. Se pune întrebarea: cât de mult poate lucra un motor termic dacă i se furnizează o anumită cantitate de căldură? Este foarte dificil să răspunzi la această întrebare și, în analiza sa, este necesar să distingi două etape.
Primul punct pe care ar trebui să-l menționăm este că performanța unor lucrări de către un motor termic este însoțită de dispariția unei anumite cantități de căldură. Vorbind despre munca mecanică efectuată de o mașină, pionierul în acest domeniu, fizicianul francez N. Carnot (1796-1832) a folosit termenul „forță motrice”. Un caiet descoperit după moartea lui Carnot în 1878 declara: „Căldura poate fi mișcarea oscilatorie a particulelor. Dacă este așa, atunci cantitatea de căldură nu este altceva decât energia mecanică cheltuită pe setarea particulelor în mișcare oscilatorie ... Astfel, putem formula principiul general conform căruia cantitatea de forță motrice din natură este invariabilă; mai exact, nu este creat sau dispare. " Acest principiu are o mare importanță pentru fizică. Se numește legea conservării energiei și, în contextul acestei secțiuni, prima lege a termodinamicii. Cuvântul „energie”, introdus în circulația științifică de către T. Jung în 1807, are aici semnificația „cantității totale de energie”, care rămâne constantă și include energie termică, cinetică și toate celelalte forme de energie pe care le vom întâlni în viitor. Fără a depune eforturi pentru o rigoare specială, energia poate fi definită ca abilitatea de a efectua munca, iar măsura ei, indiferent de forma pe care o ia energia, poate fi considerată cantitatea de lucru mecanic la care energia este echivalentă. Carnot a reușit să găsească o expresie numerică pentru echivalența căldurii și a muncii. În unitățile moderne, rezultatul său este după cum urmează: 3,7 jouli este echivalent cu 1 calorie (valoarea mai exactă este 4,19).
Aceeași descoperire a fost făcută de medicul Y. Mayer (1814–1878), care a observat modificări ale ratei metabolice (așa cum am spune acum) la marinarii care navigau în apele ecuatoriale. În 1842, Mayer a ajuns la concluzia că echivalentul mecanic al unei calorii este de 3,85 jouli, dar principalul său merit a fost o profundă înțelegere intuitivă a importanței și universalității noului principiu, care i-a permis să aplice legea conservării energiei în domenii atât de diverse precum fiziologia, mecanica cerească și teoria. maree.
Cu toate acestea, cea mai semnificativă contribuție la dezvoltarea principiului conservării energiei a fost făcută de J. Joule (1818-1889). În 1843–1848, a realizat o serie de experimente pentru a studia transformările reciproce ale energiei electrice, termice, mecanice și interne și, pe baza datelor obținute, a concluzionat că echivalentul mecanic al căldurii este de la 4,25 la 4,60. Măsurătorile minuțioase ale lui Joule au armat adversarii teoriei lichidului caloric cu numeroase argumente grele, iar această teorie a fost în cele din urmă infirmată: căldura ca formă de energie poate apărea și dispărea, dar cantitatea totală de energie din lume rămâne neschimbată.
A durat atât de mult timp pentru a stabili prima lege a termodinamicii, deoarece există un alt principiu care limitează cantitatea de muncă care poate fi făcută cu o cantitate dată de căldură. Acest principiu a fost descoperit și de Carnot și subliniat de el într-o broșură subțire Raționamentul despre forța motrice a focului (Reflexions sur la puissance motrice de feu, 1824). În el, Carnot a arătat că, dacă căldura este furnizată unei mașini la o temperatură T 1 și îndepărtat - la o temperatură T 2 (acestea pot fi temperaturi la care vaporii de apă intră și sunt eliminați de la motorul cu aburi), atunci există un anumit maxim de lucru pe care mașina îl poate efectua cu o cantitate dată de căldură. Acest maxim este întotdeauna mai mic decât cantitatea totală de căldură și este determinat numai de valori T 1 și T 2, indiferent de ce tip de substanță transferă căldura. Din legea conservării energiei rezultă că o parte din căldura furnizată mașinii rămâne cu lichidul de răcire uzat, rămânând neutilizat. Cu cât temperatura lichidului de răcire este mai scăzută, cu atât este mai dificil să-și folosească energia pentru a efectua lucrări. Există mai multă energie termică într-un kilogram de apă la temperatura camerei decât în \u200b\u200b10 g de abur, dar energia acestuia din urmă este mult mai ușor de extras. Astfel, ca urmare a oricărei transformări a energiei în lucru cu un purtător de căldură, se pierde o cantitate mai mică de energie „utilă” și niciun proces de compensare nu poate crește „utilitatea” acesteia. Această poziție a fost exprimată în formă matematică de R. Clausius (1822–1888), introducând o cantitate pe care el a numit-o entropie și care este o măsură a „inutilității” (în ceea ce privește efectuarea muncii) energiei. Orice proces care transformă căldura în muncă este însoțit de o creștere a entropiei mediului. S-a constatat că orice încercare de scădere a entropiei duce la o creștere și mai mare în altă parte. Acum acest principiu este numit a doua lege a termodinamicii. Clausius a formulat conținutul întregii sale lucrări sub formă de două rânduri, plasate la sfârșitul articolului:
Energia lumii este constantă.
Entropia lumii tinde la maxim.
Această maximă corespunde unei stări în care toată materia va avea aceeași temperatură și nu va exista nicio energie „utilă” nicăieri. Dar cu mult înainte ca o astfel de stare să fie atinsă, viața va deveni imposibilă. Clima intelectuală pesimistă de la sfârșitul secolului al XIX-lea în mare parte asociat cu descoperirea acestor două restricții absolute pentru viitorul umanității.
Teoria cinetică moleculară
Dezvoltată în lucrările lui Clausius, Kelvin (1824-1907) și ale adepților acestora, știința termodinamicii a reușit să stabilească legături între multe fenomene fizice și chimice diferite bazate pe primul și al doilea principiu al termodinamicii, dar există limite dincolo de care astfel de afirmații generale nu mai sunt în măsură să explice ce se întâmplă. ... A fost necesar să aflăm care sunt dimensiunile particulelor de materie și cum se mișcă. Fără a ști acest lucru, este imposibil, de exemplu, să prezicem la ce temperatură se va topi un solid dat, care este căldura latentă de fuziune și proprietățile sale electrice. În schema generală a termodinamicii, a fost necesar să se includă legile care guvernează mișcarea moleculelor individuale. Problema cu care oamenii de știință s-au confruntat aici a fost incomparabil mai dificilă decât înainte. Moleculele sunt prea mici pentru a fi observate direct, iar concluziile pot fi trase numai din proprietățile colective ale sistemelor de miliarde de particule.
Primul pas în crearea teoriei cinetice moleculare a fost făcut de D. Bernoulli în cartea sa despre hidrodinamică ( Hydrodynamica sive de viribus et motibus fluidorum commentarii, 1738). Bernoulli a acceptat că gazul este compus din particule extrem de mici care se mișcă rapid și liber, cu excepția coliziunilor. Aceste particule dușează pereții vasului cu lovituri; fiecare astfel de lovitură este prea slabă pentru a fi simțită, dar numărul enorm de lovituri se manifestă ca o presiune constantă. Apoi, prin raționamentul implicit bazat pe legile lui Newton, Bernoulli a ajuns la concluzia că, dacă gazul este comprimat încet fără a modifica viteza particulelor, presiunea va crește, astfel încât produsul presiunii și volumului să rămână constant. Această relație pentru un gaz comprimat la o temperatură constantă a fost descoperită experimental de R. Boyle în 1660. Bernoulli a subliniat, de asemenea, că încălzirea gazului ar trebui să ducă la o creștere a vitezei particulelor și, astfel, la o creștere a presiunii datorită creșterii numărului și forței impacturilor particulelor împotriva pereților vasului. ... Zece ani mai târziu, idei similare au fost exprimate de omul de știință rus M.V. Lomonosov, care a subliniat în plus că, dacă nu există o limită superioară pentru viteza moleculelor de gaz și, prin urmare, pentru temperatură, în principiu, atunci limita inferioară - viteza zero - există întotdeauna de aceea, trebuie să existe o limită de temperatură mai mică sub care nimic nu poate fi răcit. Acum această limită se numește zero absolut.
Este de remarcat faptul că aceste considerații au atras atenția doar 120 de ani mai târziu și, prin urmare, practic nu au avut un efect tangibil asupra formării teoriei cinetice moleculare. În schimb, fizicienii și matematicienii s-au luptat timp de un secol împotriva concepției greșite a lui Newton că toți atomii sunt respingători.
Aici este necesar să menționăm una dintre cele mai puțin cunoscute figuri din istoria științei - J. Waterson (1811-1883). Inginer și profesor, Waterson a publicat în 1843 o carte destul de obscură, citită doar de câțiva, în care a subliniat câteva considerații cu privire la proprietățile unui gaz format din molecule în mișcare rapidă. În 1845 a trimis un articol detaliat Societății Regale, care a fost însă respins ca nepotrivit pentru publicare. Potrivit unui recenzor, articolul lui Waterson este „o prostie, inacceptabil chiar și pentru citirea publică”. Ulterior, Waterson a reușit să publice unele dintre lucrările sale, dar acestea au fost ignorate. Waterson a trăit mult timp și a asistat la alții primind laude și recunoaștere pentru descoperirile pe care el însuși le făcuse mult mai devreme. Și totuși nu a trăit pentru a vedea momentul în care J. Rayleigh a ajuns la aceleași concluzii în 1891, care a adus un omagiu operei sale.
În 1856, oamenii de știință s-au întors din nou la ideile lui Bernoulli. A. Kronig (1822-1879), un an mai târziu Clausius și în 1860 J. Maxwell (1831-1879), care avea un excelent aparat matematic, bazat pe legile lui Newton, a întreprins o analiză sistematică a unui gaz din particule prea mici pentru a fi văzute și interacționând cu participarea forțelor, a căror dependență de distanță ar putea fi dată numai în forma cea mai generală. Acest lucru a pus bazele teoriei cinetice a gazelor sau teoriei moleculare-cinetice (A. Ampere a clarificat problema naturii moleculelor și a relației lor cu structura materiei la începutul secolului al XIX-lea). Această teorie a dat estimări ale maselor de molecule, dimensiunile acestora (aproximativ două sau trei sute de milioane de centimetri), distanța medie dintre molecule într-un gaz și, în formă generalizată, a acoperit toate fenomenele generate de acțiunea aleatorie a unui număr imens de particule. Mai târziu, grație lucrărilor lui L. Boltzmann (1844-1906) și J. Gibbs (1839-1903), s-a transformat într-o știință cunoscută sub numele de mecanică statistică. Boltzmann a arătat că a doua lege a termodinamicii nu este altceva decât o concluzie statistică. Dezordonarea treptată în univers este similară cu pierderea treptată a ordinii într-un pachet de cărți de joc ordonat inițial atunci când este amestecat în mod repetat și la fel cum cărțile pot fi aranjate în secvența originală dacă pachetul este amestecat de un număr monstruos de mare de ori, tot universul va reveni într-o zi pur și simplu accidental la starea din care a ieșit odată. (Optimismul în acest sfârșit al scenariului unui univers pe moarte va fi oarecum diminuat dacă estimăm timpul necesar pentru o renaștere spontană accidentală.) Gibbs este creditat și cu crearea termodinamicii chimice, pe care se bazează teoria modernă a reacțiilor chimice și întreaga industrie chimică.
Teoria cinetică, la fel ca ipoteza atomistică, are un dezavantaj grav: dacă comportamentul moleculelor nu poate fi observat direct, este imposibil să fim siguri de corectitudinea acestei teorii. Nicio confirmare macroscopică a previziunilor teoriei cinetice moleculare nu poate exclude complet posibilitatea ca, la fel ca teoria lichidului caloric sau teoria gazelor newtoniene, să dea rezultate acceptabile științific pe baza unor premise incorecte. Într-adevăr, în 1900, oameni de știință remarcabili precum fizicianul E. Mach și chimistul W. Ostwald au declarat că nu vor să ia în considerare atomi decât o ipoteză care ar explica unele dintre fenomenele observate. Dar în curând situația s-a schimbat dramatic.
Electricitate și magnetism
Multă vreme, majoritatea fizicienilor au considerat aceste fenomene ca fiind curiozități nesemnificative. Primul care a sugerat că vor juca în cele din urmă un rol important în înțelegerea fenomenelor naturale a fost aparent Newton.
Începutul observațiilor științifice ale fenomenelor electrice și magnetice este asociat cu numele fizicianului englez W. Hilbert (1540-1603). El a efectuat o serie de experimente încercând să demonstreze că magnetismul pământesc poate fi explicat imaginându-și pământul ca un magnet sferic mare. Primele experimente cu electricitate (acest termen a fost introdus de Hilbert) au fost create pentru a răspunde la întrebarea dacă există două tipuri de purtători de energie electrică sau dacă o sarcină negativă este pur și simplu absența unei sarcini pozitive. Împărțirea sarcinilor în pozitiv și negativ se întoarce la B. Franklin (1706-1790), unul dintre puținii oameni din America secolului al XVIII-lea care erau interesați de probleme științifice generale.
Primele măsurători cantitative întreprinse pentru stabilirea legilor energiei electrice au fost efectuate la sfârșitul secolului al XVIII-lea. Apoi, un număr de cercetători au reușit să demonstreze în diferite moduri că forțele electrice sunt similare cu forțele gravitaționale în sensul că ele sunt, de asemenea, invers proporționale cu pătratul distanței, deși două încărcături electrice pot atrage și respinge, iar sub acțiunea forțelor gravitaționale, corpurile pot fi atrase numai unul de celălalt ... În curând C. Coulomb (1736-1806), unul dintre cei care au investigat interacțiunea sarcinilor electrice și a formulat legea căreia se supune această interacțiune, a stabilit un model similar pentru forțele magnetice. ELECTRICITATE ȘI MAGNETISM.
Toate evenimentele ulterioare provin din invenția lui A. Volta (1745-1827) în 1800 o baterie electrică, cu care a fost posibil să se obțină un curent electric constant. Această invenție a permis multe descoperiri. Mulți dintre ei aparțin lui M. Faraday (1791-1867), al cărui nume în știința experimentală este aproape la fel de mare ca numele lui Newton în știința teoretică. Descoperirile în cauză pot fi împărțite în trei grupe: electrochimice, optice și electromagnetice. Acestea din urmă includ observațiile lui H. Oersted (1820), care a descoperit că curentul electric creează un câmp magnetic, și Faraday (1831), care a demonstrat că un câmp magnetic alternativ creează o forță electrică. Aceste descoperiri, la rândul lor, au arătat că electricitatea și magnetismul trebuie să fie strâns legate. A fost destul de ușor să ne imaginăm un curent electric ca un fel de lichid care curge printr-un conductor sub influența forțelor electrice, dar fenomenele electromagnetice nu s-au oferit unei explicații mecanice atât de simple și, așa cum vom vedea mai târziu, interpretarea lor fizică a condus la prăbușirea a ceea ce s-a numit imaginea mecanicistă a lumii. Dar, înainte de a trece la asta, să vorbim despre cel mai recent succes strălucit al abordării mecaniciste.
Structura atomului
Fenomenele naturale obișnuite nu oferă nicio dovadă a structurii interne a atomilor; aproape toate proprietățile „colective” ale gazelor și lichidelor și multe proprietăți „colective” ale solidelor pot fi explicate considerând că atomii sunt bile solide, între care acționează forțele de atracție reciprocă. Cu toate acestea, la sfârșitul secolului al XIX-lea. a devenit evident că există cel puțin două clase de fenomene, pentru a căror explicație este necesar să știm mai detaliat ce este exact atomul. Una dintre aceste clase este formată din fenomene care indică faptul că atomii care diferă doar ușor în masă pot avea proprietăți chimice semnificativ diferite. O altă clasă de fenomene este asociată cu spectroscopia, care analizează lumina emisă de gazele și vaporii incandescenți. S-a dovedit că o astfel de lumină este un set de unde cu anumite frecvențe caracteristice fiecărui tip de atom.
În primii ani ai secolului XX. au fost construite mai multe modele ale atomului. În acest moment a devenit cunoscut faptul că unul dintre ai săi elemente constitutive este un electron - o particulă cu o sarcină electrică și o masă negative, de câteva mii de ori mai mică decât masa unui atom. Din faptul că atomul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric, a rezultat că împreună cu electronii atomul conține un fel de sarcini pozitive compensatoare.
După descoperirea făcută de Rutherford, era firesc să încerci să folosești mecanica newtoniană pentru a descrie structura atomului, în special mărimea atomilor, proprietățile lor chimice și spectrele. Începutul lucrărilor în această direcție a fost pus de N. Bohr, un stagiar care a venit la Manchester la Rutherford din Danemarca. Bohr a decis să înceapă cu cel mai simplu dintre atomi - hidrogenul, care, conform modelului planetar al lui Rutherford, ar trebui să aibă un electron care se rotește în jurul unei particule grele numite proton. În plus, frecvențele spectrului de emisie al hidrogenului au constituit un set simplu, care a fost descris cu acuratețe de formula selectată de I. Balmer în 1885. Bohr a descoperit rapid că legile lui Newton singure nu erau suficiente pentru a explica stabilitatea atomului și emisia de lumină doar la anumite frecvențe; aceste legi trebuie completate cu o nouă lege care nu se bazează pe fizica anterioară. Conform acestei legi, dintre toate orbitele posibile în care un electron se poate învârti în jurul unui nucleu în conformitate cu mecanica newtoniană, numai un mic set de orbite care îndeplinesc o anumită condiție matematică sunt realizate în natură. Postulatele lui Bohr și ideea lui Einstein despre natura energiei radiante (care va fi discutată mai jos) i-au permis lui Bohr să obțină formula lui Balmer. Acest succes, care a deschis calea spre înțelegerea structurii atomului, a fost urmat de o explicație calitativă a proprietăților chimice de bază ale tuturor atomilor. Dar locurile întunecate au rămas în continuare și cel mai misterios lucru a fost că teoria lui Bohr nu putea explica spectrul sau chiar stabilitatea vreunui atom mai complex decât atomul de hidrogen. Chiar și un atom de heliu cu doar doi electroni care orbitează un nucleu, a cărui sarcină pozitivă este de două ori sarcina unui proton, a fost dincolo de analiză. Concluzia a fost că atomul de hidrogen ar trebui considerat o excepție și că succesul lui Bohr ar fi putut fi pur accidental. Cu toate acestea, în realitate, conceptul mecanicist a atins limitele dezvoltării sale și, în viitorul apropiat, a trebuit să cedeze locul unei viziuni diferite asupra fenomenelor fizice, care s-au format latent de-a lungul anilor.
NATURA CA DOMENII INTERACTIVE
Era firesc ca Newton și contemporanii săi să se întrebe de unde vine forța gravitației și cum funcționează. A înțeles că subiectul era departe de a fi simplu. I se părea incredibil că două corpuri ar putea interacționa prin spațiul absolut gol care le separă. Într-o scrisoare către R. Bentley Newton a scris:
„Faptul că gravitația ar trebui să fie inerentă, inalienabilă și necesară pentru materie, astfel încât un corp să poată acționa asupra altui la distanță prin gol, fără medierea a altceva, mi se pare atât de mare absurd încât, în opinia mea, nici o persoană care este capabilă să judece cu competență problemele filosofice nu va cădea în ea. Gravitația trebuie să fie cauzată de un agent care acționează constant în conformitate cu anumite legi; și dacă acest agent este sau nu material, îl las pe cititori să judece. "
În vremea lui Newton, un astfel de agent se numea eter, iar acest concept urma să fie transformat într-un concept mai rafinat al câmpului. Teoria câmpului a luat loc central în fizica modernă - la fel cum mecanismul atomistic material a fost conceptul central al fizicii în secolele precedente. Au existat multe teorii ale eterului și fiecare dintre ele a apărut ca răspuns la nevoia de a explica acțiunea uneia sau altei forțe la distanță. Deci, au existat eteri gravitaționali, electrici, magnetici și luminiferi (ultimul eter a fost un mediu ipotetic care a asigurat propagarea luminii). Sub influența conceptelor fizice generale din timpul lor, teoriile eterice au căpătat un caracter mai mecanic - eterii erau lichizi, respectând legile lui Newton sau alte legi similare, iar influențele transmise de aceștia erau în natura acțiunii mecanice. Odată cu acumularea de cunoștințe despre lumină, lumina însăși a început să fie reprezentată ca o mișcare de undă în eterul luminifer, similar cu propagarea sunetului în aer. Acest punct de vedere a fost exprimat pentru prima dată în 1746 de către remarcabilul matematician L. Euler (1707–1783). La început, punctele de vedere ale lui Euler nu s-au întâlnit cu înțelegerea, deoarece au contrazis teoria corpusculară a luminii a lui Newton, dar au primit recunoaștere după două confirmări experimentale decisive. Prima confirmare a fost interferența a două fascicule de lumină suprapuse de la aceeași sursă, în care coincidența cocoașelor și jgheaburilor unei valuri cu cocoașele și jgheaburile celeilalte creează un model format din pete luminoase și întunecate. Astfel de fenomene au fost cunoscute încă de pe vremea lui Newton, dar au fost studiate în mod sistematic din punctul de vedere al teoriei undelor în 1801 de T. Jung (1773-1829) și mai târziu de O. Fresnel (1788-1827). Explicațiile interferenței din perspectiva teoriei corpusculare păreau incomode, dar au fost considerate corecte și abia după ce Jung în 1817 și-a propus explicația polarizării luminii, teoria corpusculară a fost forțată să cedeze locul undei. Lumina polarizată are o direcționalitate spațială care nu este inerentă sunetului, iar acest fapt l-a condus pe Jung la ideea că undele de lumină, spre deosebire de undele sonore, sunt transversale, adică în ele, ca și în valurile de pe apă, oscilațiile apar pe direcția propagării lor (și nu de-a lungul, ca în undele sonore, longitudinale). Teoria undelor luminii explică toate fenomenele cunoscute de interferență și polarizare, dar căutarea unui model mecanic care să o facă ușor de înțeles a întâmpinat dificultăți insurmontabile. Problema este că eterul ca substanță fizică trebuie să fie suficient de dens, astfel încât lumina să se poată propaga printr-o viteză extraordinară, dar totuși nu prea densă pentru a interfera cu mișcarea planetelor și a altor obiecte. În plus, eterul trebuie să aibă o oarecare elasticitate - undele transversale se pot propaga în jeleu, dar nu și în apă. (Undele pe care le observăm pe apă se propagă numai pe suprafața sa.) Acum este dificil să ne imaginăm că ideea unui eter mecanic ar putea fi luată atât de în serios, dar puterea mecanismului newtonian a fost atât de puternică încât a fost nevoie de eforturi intelectuale colosale pentru a o arunca în cele din urmă.
Între timp, concept nou... M. Faraday, care a studiat magnetismul, a fost profund impresionat de imaginile formate de pila de fier pe o bucată de hârtie lângă polii unui magnet. Rumegușul a fost aliniat într-o linie, iar Faraday a constatat că direcția lor în fiecare punct coincide cu direcția forței generate în acel punct de către magnet. Intrând în regiunea unui câmp magnetic mai mult sau mai puțin intens, liniile convergeau întotdeauna într-un fascicul sau, dimpotrivă, divergeau, iar Faraday a ghicit că oferă o imagine vizibilă a ceva care, în absența lor, există de fapt în spațiul din apropierea polilor magnetici. Acest „ceva” se numește câmp. Faraday a concluzionat că câmpul constă din „linii magnetice de forță”; mai târziu a descoperit existența unor linii electrice similare de forță și în 1846 a sugerat că lumina este vibrații transversale care se propagă de-a lungul liniilor de forță. Ipoteza lui Faraday a fost prima anticipare a legăturii strânse stabilite ulterior între lumină, pe de o parte, și electricitate și magnetism, pe de altă parte.
Meritul creării teoriei câmpului electromagnetic, așa cum a fost numit, aparține în principal lui J. Maxwell (1831–1879). În 1856, în timp ce era cercetător la Trinity College, Cambridge, Maxwell a început să lucreze la crearea unei teorii mecanice a câmpurilor electrice și magnetice, intenționând să exprime într-un limbaj matematic exact ideile lui Faraday. Până în 1861, Maxwell a creat o imagine extrem de complexă, dar promițătoare, a eterului ca fluid care transmite unele solicitări și permite mișcări vortex complexe. Pe baza acestor reprezentări vizuale, el a dedus sistemul ecuatii diferentialeconectarea diferitelor componente ale câmpurilor electrice și magnetice. Ecuațiile au descris atât fenomene statice, cum ar fi interacțiunile electrice și magnetice ale lui Coulomb, cât și interacțiunile dinamice, precum cele descoperite de Faraday. În plus, ecuațiile lui Maxwell au prezis o nouă relație între câmpurile electrice și magnetice - propagarea coordonată a acestora sub formă de unde de forfecare la o viteză de 306.000 km / s. În acel moment, se știa deja că lumina se propagă cu aproximativ aceeași viteză, iar experimentele lui Fizeau (1849) au dat o valoare foarte apropiată de cea obținută de Maxwell. Acest acord remarcabil a indicat faptul că Maxwell a reușit să construiască o teorie atât de mult așteptată a luminii și, pe lângă faptul că a explicat toate fenomenele electrice și magnetice. Remarca profetică a lui Faraday (1851) a fost justificată: „Dacă eterul există, atunci, probabil, transmiterea radiației nu este singurul său scop”. Teoria lui Maxwell, împreună cu teoria lui Bohr, a fost cea mai înaltă realizare a abordării mecaniciste. Astăzi vedem două părți ale teoriei sale despre câmpul electromagnetic. Ecuațiile simetrice grațioase, care sunt încă considerate corecte și complete, sunt însoțite de un concept stângaci de eter, conceput pentru a explica aceste ecuații. În 1864 Maxwell a prezentat o versiune rafinată a teoriei sale Societății Regale. Eterul a intrat implicit în această teorie, ca fundal pentru relațiile fizice ale câmpului electromagnetic, dar a fost lipsit de toate proprietățile, cu excepția celor care au urmat din ecuațiile de câmp în sine. Cu toate acestea, cei mai mari fizicieni de atunci, inclusiv Kelvin și Helmholtz, nu au fost convinși de teoria lui Maxwell, iar Kelvin, care a trăit până în 1907, nu a recunoscut-o. Mulți fizicieni din generația tânără au adoptat teoria lui Maxwell, iar experimentele lui G. Hertz (1857–1894), care au fost primii care au generat și au primit unde electromagnetice, au jucat rolul principal aici. Experimentele lui Hertz nu numai că au confirmat teoria lui Maxwell, dar au pus și bazele ingineriei radio.
Teoria lui Maxwell a condus la cele mai mari progrese teoretice în fizică de la Newton. Maxwell a ajuns la fizică când a fost dominat de ideile centrelor de forță în mișcare și a părăsit-o, punând bazele conceptului de câmp, care se manifestă prin faptul că exercită un efect de forță asupra materiei și, de asemenea, transferă energie. Cea din urmă circumstanță umple cel mai mult câmpul cu realitate: este ușor de imaginat că sarcinile electrice creează forțe care acționează asupra altor sarcini la distanță, dar dacă un obiect material dă un fulger de radiație care este ulterior absorbit de un alt obiect, atunci legea conservării energiei va fi încălcată, dacă nu să presupunem că în timpul de la emisie la absorbția radiațiilor, energia se propagă sub forma unui câmp.
Astăzi fizica este preocupată în principal de studiul câmpurilor care interacționează, dintre care unul este câmpul Maxwell. Toate aceste câmpuri se propagă sub formă de unde, dar nu în orice mediu, ca undele sonore în aer, ci pur și simplu ca undele de câmp. Exemplul generației mai vechi de oameni de știință, care au tratat multă vreme ideea unor astfel de valuri „neîncorpurate” cu neîncredere ca un fel de mistificare, ne amintește încă o dată de dificultățile de a dezvolta idei științifice cu adevărat noi.
Principiile relativității
Una dintre cele mai trasaturi caracteristice orice câmp fizic - felul în care apare în fața observatorului. De exemplu, o încărcare electrică în repaus creează un câmp pur electric. Dar dacă sarcina se mișcă în raport cu observatorul sau, ceea ce este echivalent, dacă observatorul se mișcă în raport cu sarcina, atunci câmpul este, de asemenea, parțial magnetic. Același lucru se poate spune despre câmpul creat de un magnet și ajungem la concluzia că distincția dintre câmpurile electrice și magnetice există doar într-un anumit cadru de referință specific. Dacă alegem un nou cadru de referință astfel încât să se miște în raport cu cel vechi, atunci limita se va netezi - un câmp pur electric va dobândi o componentă magnetică, iar unul pur magnetic - unul electric.
Pe acest scor, până în 1900, erau cunoscute două prevederi. În primul rând, ecuațiile lui Maxwell descriu situația ca un întreg în mod corect. În al doilea rând, dacă vorbim doar despre fenomenul în sine, atunci doar mișcarea relativă a observatorului și a obiectului de observație este esențială. Acest adevăr, așa-numitul principiu al relativității, este întruchipat în legea inerției lui Galileo și pătrunde întreaga schemă a mecanicii newtoniene.
La sfârșitul secolului al XIX-lea. fizicienii, spre surprinderea lor, au constatat că aceste două poziții sunt matematic incompatibile între ele și că una sau cealaltă poate fi afirmată, dar nu ambele în același timp. Teoria eterului a oferit următoarea soluție: o sarcină electrică în repaus în eter și măsurată de un observator în mișcare nu este echivalentă cu o sarcină în mișcare pentru un observator staționar. A. Poincaré (1854-1912), după ce a studiat această ipoteză, a realizat că introduce asimetrie în legile electricității, ceea ce nu corespunde cu nimic observat în natură.
Ieșirea a fost indicată în 1905 de A. Einstein cu o teorie remarcabilă, pe care ulterior a numit-o teoria specială (specială) a relativității. Luând ca bază corectitudinea ecuațiilor lui Maxwell, Einstein a arătat că principiul relativității poate fi păstrat dacă conceptele fundamentale de spațiu și timp, care nu au fost puse la îndoială de secole, sunt revizuite radical. Opera lui Einstein a devenit parte a sistemului de educație pentru o nouă generație strălucitoare de fizicieni care a crescut în anii 1920. Anii următori nu au dezvăluit niciun punct slab în teoria specială a relativității.
Cu toate acestea, Einstein a fost bântuit de faptul, remarcat anterior de Newton, că întreaga idee a relativității mișcării se prăbușește dacă se introduce accelerarea; în acest caz, intră în joc forțe inerțiale, care sunt absente în mișcare uniformă și rectilinie. La zece ani de la crearea teoriei speciale a relativității, Einstein a propus o nouă cel mai înalt grad o teorie originală în care ipoteza spațiului curbat joacă rolul principal și care oferă o imagine unificată a fenomenelor de inerție și gravitație. În această teorie, principiul relativității este păstrat, dar prezentat într-o formă mult mai generală, iar Einstein a reușit să arate că teoria sa relativă generală, cu modificări minore, include cea mai mare parte a teoriei gravitației a lui Newton, iar una dintre aceste modificări explică faimoasa anomalie din mișcarea lui Mercur.
Quanta
Cititorul știe deja că mecanica newtoniană este potrivită pentru a descrie foarte multe sisteme materiale, iar teoria lui Maxwell este necesară pentru descrierea corectă a tuturor câmpurilor electromagnetice. Acum vrem să arătăm că, în realitate, aceste două abordări sunt doar două cazuri extreme ale unei singure imagini numite teoria cuantică. La fel ca teoriile lui Newton și Maxwell, acesta este un fel de schemă matematică, dar mult mai dificil de explicat într-un limbaj non-matematic, deoarece teoria cuantică nu se bazează pe idei intuitive care ar fi rafinate doar de matematică. Din motive de claritate, în prezentarea ulterioară, vom abandona abordarea istorică, deoarece o serie de descoperiri importante au fost făcute în „momentul nepotrivit” și într-o secvență care le face dificil de înțeles.
În 1887, Hertz, în timp ce studia radiațiile electromagnetice, a făcut descoperirea că lumina care cade pe o suprafață metalică o face cumva încărcată electric. În anii următori, s-a aflat că lumina elimină încărcăturile electrice negative din metal. Acest fenomen este acum numit efect fotoelectric. În 1898, J.J. Thomson (1856-1940) a stabilit că sarcinile negative sunt purtate de particule microscopice cu o masă de mii de ori mai mică decât masa oricărui atom. Thomson a numit aceste particule electroni. Mai mult, în principal datorită eforturilor lui Einstein (1905), a devenit clar că lumina are o natură duală: acestea sunt particule, numite acum fotoni și unde. Se comportă diferit în diferite experimente. Lipsind o explicație pentru acest fenomen ciudat, fizicienii au început să caute idei noi. Cea mai simplă și, după cum sa dovedit mai târziu, cea mai fructuoasă idee a fost exprimată de L. de Broglie (1892-1987). În 1924, el a propus extinderea misterioasei dualități a luminii la materie și a sugerat că electronul ar trebui să-și dezvăluie proprietățile undei dacă se efectuează un experiment privind interferența electronilor, similar experimentelor cu interferența luminii, care au fost odată efectuate de T. Jung. Astfel de experimente au fost efectuate în curând și au dat rezultatele prezise de de Broglie. În plus, de Broglie a sugerat că electronul orbital din teoria lui Bohr descrie o undă închisă în jurul nucleului, iar postulatele lui Bohr, anterior arbitrare, pentru determinarea nivelurilor de energie ale atomului de hidrogen au primit o explicație simplă și naturală.
Să ne amintim în această legătură că de la apariția sa în 1913, teoria lui Bohr s-a dovedit a fi aproape sterilă în explicarea proprietăților cantitative ale atomilor, alții decât atomul de hidrogen. Acum a sosit momentul rezolvării problemei structurii atomului, care a fost făcută aproape simultan de doi fizicieni. În 1925, W. Heisenberg (1901–1976) a dezvoltat un aparat matematic oarecum greoi, cu un înțeles fizic dificil de înțeles, care a făcut totuși posibilă obținerea rapidă a răspunsurilor corecte la unele întrebări legate de structura atomului. Anul următor, E. Schrödinger (1887–1961), pornind de la ipoteza de unde a materiei de de Broglie, a făcut practic același lucru pe care l-a făcut Maxwell în timpul său în legătură cu ipoteza lui Young despre natura undelor luminii: el a derivat ecuații de câmp care au făcut posibilă explicarea majorității proprietăți. În 1927, Schrödinger a arătat că teoria sa, care diferea foarte mult prin ipotezele sale fizice de teoria lui Heisenberg, era echivalentă cu ea prin conținutul său matematic. Unitatea fenomenelor fizice din punctul de vedere al undei se datorează faptului că lumina și toate celelalte forme de materie pot fi reprezentate ca câmpuri în spațiul gol (în alte privințe), descris de unele ecuații care arată modul în care câmpurile se schimbă în spațiu și timp și cum interacționează ele însele cu noi înșine și unii pe alții. Diferențele dintre lumină și materie din acest punct de vedere sunt asociate cu particularitățile reprezentării matematice a diferitelor câmpuri și cu structura ecuațiilor de câmp.
Acum trebuie să explicăm corpuscularitatea câmpurilor. Este cel mai dificil de înțeles cum un câmp, prin esența sa omogenă și continuă, se poate manifesta ca ceva discret și discontinuu. În această formulare, problema se întoarce în 1900, când M. Planck (1858-1947) a încercat să explice intensitatea și culoarea radiației emise de un solid roșu. El a fost obligat să admită că un obiect material emite radiații cu o frecvență n, face acest lucru nu în mod continuu, așa cum ne-am putea aștepta, ci în porțiuni mici - cuante, fiecare dintre ele transportând energie Eproporțional cu frecvența. Dacă raportul de proporționalitate este scris ca E = hn, apoi se dovedește că coeficientul de proporționalitate h are același sens pentru toate formele de materie (acum se numește constanta lui Planck). În 1905, Einstein a profitat de ideea lui Planck, explicând efectul fotoelectric ca urmare a coliziunilor fotonilor cu electronii, iar în 1913 Bohr, în căutarea unei explicații pentru discreția frecvențelor radiațiilor emise de atomi, și-a creat teoria pur mecanică, inclusiv ipoteza lui Planck privind discreția cuantelor și introducerea în diferite formule. Constanta lui Planck h... Ecuațiile derivate de de Broglie, Heisenberg și Schrödinger conțineau h, astfel încât constanta lui Planck a devenit un fel de simbol al discretității naturii. Exprimată în unități convenționale, cantitatea h reprezintă un număr foarte mic și, prin urmare, discreția este mult mai mică decât nivelul de percepție al receptorilor noștri, dar totuși participă la toate procesele însoțite de emisia sau absorbția de energie - la apariția și propagarea luminii și a sunetului, la interacțiunea particulelor și multe altele. Porțiuni discrete de energie de orice fel se numesc quanta, iar întreaga teorie care se ocupă de ele se numește teoria cuantică. Teoria lui Heisenberg și Schrödinger a fost numită diferit - mecanica cuantică sau a undelor - în funcție de ce punct de vedere a fost adoptat. Cuantumurile din câmpuri diferite au fost denumite cu finalul - aceasta: foton pentru lumină, fonon pentru sunet, electron, proton, neutron etc.
Teoria cuantică i-a obligat pe fizicieni să-și reconsidere părerile cu privire la tot ce se întâmplă la scară atomică, precum și la multe fenomene obișnuite. Dar cea mai profundă nouă idee a ei a fost conceptul de incertitudine, pe care nu îl vom discuta aici în detaliu. Să spunem doar că afirmă existența anumitor limite în care nici cunoașterea și nici explicația fenomenelor fizice nu sunt posibile nici măcar în principiu. În aceste limite, tot ceea ce se întâmplă este accidental în sensul că cauzalitatea în înțelegerea sa corectă nu funcționează. În astfel de situații, formulările cauzale neechivoce ale imaginii mecaniciste a lumii dau loc afirmațiilor statistice care dau doar probabilități, dar nu permit prezicerea cu exactitate a rezultatelor unui anumit experiment. Aparenta acuratețe a legilor dinamicii în forma în care au fost expuse de Newton și respectate de adepții săi, în teoria cuantică apare ca o consecință directă a „legii numărului mare” statistic, conform căreia afirmațiile statistice sunt mai exacte, cu atât eșantionul este mai mare pe baza căruia sunt făcute.
Într-o formă foarte simplificată, situația cu dualismul substanță-câmp astăzi arată astfel: câmpul este principala modalitate de descriere a materiei, dar are aspecte de discreție, care amintesc de conceptul newtonian de materie (și lumină) ca substanță constând din particule mici care interacționează între ele. La scara atomică, situația este într-adevăr foarte diferită de cea pe care Newton și-a imaginat-o, deoarece apar incertitudini și încălcări ale cauzalității, dar la nivel macro aceste efecte dispar, ceea ce face posibilă prezicerea evenimentelor cu o acuratețe, deși nu absolută, dar suficientă pentru orice scop practic. Astfel, tabloul mecanicist al lumii apare în fața lor ca o consecință practică a teoriei fundamentale a câmpurilor, deși, dacă mergem la nivelul micro, nu mai putem acum, urmând lui Leucipp, să spunem că „totul are o cauză și este rezultatul necesității”. Nu știm cum va arăta teoria cuantică modernă peste o sută de ani și, deși pare ciudat și de neînțeles pentru unii, totuși, nu a intrat niciodată în conflict cu experimentul, iar domeniul său de aplicabilitate se extinde constant.
FIZICA MODERNĂ
Până în anii 1940, principalele tipuri de materie cunoscute atunci păreau destul de simple: un atom consta din electroni care se mișcau în jurul unui nucleu masiv; în anumite condiții, el a emis lumină sub formă de cuante numite fotoni; nucleele erau formate din neutroni și protoni (nucleoni), fiecare dintre aceștia având o masă de aproximativ 1840 ori mai mare decât masa unui electron; o particulă de al treilea tip cu o masă intermediară între masa unui electron și a unui proton, numită „mezon”, a fost responsabilă de interacțiunea particulelor nucleului (nucleoni), iar fotonul, un cuantum al câmpului electromagnetic, a ținut împreună electronul și nucleul. La acea vreme, era firesc să considerăm toate particulele de mai sus ca forme elementare ale materiei, analoage cu elementele chimiei tradiționale, din care constă tot ceea ce ne înconjoară. Cu toate acestea, odată cu descoperirea recentă a unui număr mare de particule noi, a apărut îndoiala că toate acestea sunt cu adevărat elementare. Lucrarea principală în acest domeniu foarte dificil al fizicii se desfășoară în centre de cercetare cu facilități experimentale extrem de scumpe. În Statele Unite, acestea sunt Brookhaven și Argonne National Laboratories, National Accelerator Laboratory de lângă Chicago, Stanford Linear Accelerator, în Europa de Vest - CERN și Consiliul European pentru Cercetări Nucleare de la Geneva, care unește 12 țări. Există mai multe centre de cercetare care au apărut la accelerații mari din Rusia.
Sarcina principală a studiului fundamental al materiei este de a învăța cât mai mult posibil despre toate formele sale posibile, adică pentru a stabili ce sunt particulele elementare și care sunt proprietățile lor, pentru a explica de ce Universul nostru conține aceste și nu alte tipuri de particule. În anii 1970, a apărut o teorie în care particulele elementare erau considerate a fi compuse din „blocuri de materie” și mai fundamentale ale materiei - quarcuri. La început au existat doar trei quarcuri, apoi au fost 12 și puțin mai târziu - 15. Așa cum s-a întâmplat adesea în trecut cu alte teorii ale materiei, cu fiecare extindere a listei de particule, a crescut suspiciunea că teoria quarkurilor, cu toată atractivitatea sa, nu este încă cu adevărat fundamental ...
A doua direcție generală pe care fizica fundamentală o urmează în dezvoltarea sa de astăzi este studiul formelor de materie constând dintr-un număr mare de particule legate. Una dintre direcțiile acestui tip de cercetare se referă la studiul gazelor, ale căror particule sunt slab legate și își petrec cea mai mare parte a timpului în zbor liber. În afară de comportamentul gazelor în condiții extreme (astfel de întrebări sunt de interes pentru cei care, de exemplu, sunt angajați în studiul motoarelor rachete), nu există o singură întrebare fundamentală în acest domeniu al cunoașterii care să nu poată fi răspuns.
Rămâne mult de văzut pentru lichide și solide. În special, solidele au o varietate de proprietăți mecanice, electrice și magnetice, pentru a căror explicație nu este suficient să știm în ce particule constau aceste corpuri, deoarece proprietățile menționate depind și de starea lor de agregare. Fizica în stare solidă este un domeniu al științei care se dezvoltă rapid, iar acest lucru se datorează parțial marii sale valori aplicate: de exemplu, tranzistoarele și alte dispozitive semiconductoare, create ca urmare a cercetării și dezvoltării în domeniul fizicii în stare solidă, au făcut o adevărată revoluție în domeniul electronicii. TRANSISTOR.
Găsim o altă stare de agregare în nucleul atomic. Deoarece nucleul este foarte mic și componentele sale sunt strâns legate de forțe nucleare, este un obiect foarte dificil de studiat, astfel încât informațiile despre structura sa și tipurile de mișcare intranucleară sunt foarte rare. Cercetările în acest domeniu sunt susținute pe scară largă de guverne, deoarece energia nucleară va trebui să satisfacă o parte semnificativă din necesarul de energie al umanității atunci când sursele de petrol și cărbune se vor epuiza.
În cele din urmă, să menționăm fizica plasmei, una dintre noile domenii ale științei. Plasma este un gaz incandescent compus din ioni și electroni care conduc electric, dar comportamentul său este semnificativ diferit de cel al unui gaz în condiții normale. Dacă luăm în considerare faptul că toate stelele și o parte semnificativă a materiei interstelare sunt plasmă, se dovedește că mai mult de 99% din materie se află în această stare în Univers. Prin urmare, pentru a pătrunde în secretele spațiului, este necesar să se investigheze proprietățile plasmei în sine cât mai complet posibil. În plus, pentru a crea cele mai promițătoare - surse de energie termonucleare, aparent, va fi necesar să se reproducă condițiile predominante în interiorul stelelor.
Înainte de cel de-al doilea război mondial, aproape toate cercetările semnificative în fizică se desfășurau în laboratoare universitare susținute de fundații universitare. După război, situația s-a schimbat din trei motive. În primul rând, crearea de noi instalații experimentale a devenit prea costisitoare pentru bugetele universitare, ceea ce a dus la necesitatea unei participări guvernamentale pe scară largă la subvenționarea programelor științifice. În al doilea rând, guvernele au recunoscut nevoia de a sprijini cercetarea științifică în scopurile lor militare, economice și politice. Acest lucru este valabil mai ales pentru programele spațiale și cercetările din domeniul fizicii particulelor, precum și pentru diverse activități legate de rezolvarea problemelor energetice. În al treilea rând, atitudinea oamenilor de afaceri față de știință s-a schimbat radical: acum marile afaceri din toată lumea participă la crearea laboratoarelor în care se efectuează cercetări serioase.
Toate încercările anterioare de a prezice viitorul științei s-au încheiat cu eșec, dar este evident că ne putem aștepta la progrese mari în direcțiile de mai sus. De asemenea, este clar că în viitor vor apărea noi direcții de cercetare complet noi, care acum nu pot fi prevăzute, deoarece era imposibil să se prevadă apariția fizicii nucleare acum o sută de ani. O teorie fizică cu adevărat cuprinzătoare ne va permite să luăm în considerare dintr-un punct de vedere unificat procesele care au loc la toate scările - de la cosmic la subatomic. Astăzi, deși știm multe, vedem doar fragmente interesante dintr-o imagine completă a lumii.
Literatură:
Llozzi M. Istoria fizicii... M., 1970
Rogers E.M. Fizica pentru curioși, vol. 1-3. M., 1972, 1973
Jammer M. Evoluția conceptelor de mecanică cuantică... M., 1985
Fizica (din „natura” greacă) este știința lumii din jurul nostru.
Fizica este o știință cuprinzătoare. Niciun proces al naturii nu este în afara fizicii. Fizica descrie totul: mecanică, electricitate, magnetism, optică ...
Unele lucruri sunt evidente pentru noi: atracția, forțele de inerție și frecare, fierberea lichidului ...
Alte momente ale naturii nu sunt atât de clare, deși de mult ne-am „obișnuit” cu ele: electricitate, magnetism, radiații diverse ...
Unele afirmații sunt în general dificil de înțeles: de exemplu, teoria relativității lui A. Einstein.
Observând fenomene naturale aparent simple, rareori ne gândim de ce se întâmplă în acest fel și nu altfel:
- De ce ninge?
- Cum auzim?
- Pentru ce avem nevoie de sânge?
- De ce stelele sunt vizibile doar noaptea?
- De ce alunecăm înapoi și ne împiedicăm înainte?
- De ce mașinile au roți de cauciuc?
- De ce suntem calzi sub huse?
Fizica este studiul lumii și al structurii sale.
Cursul clasic de fizică include, de regulă, următoarele secțiuni:
Mecanică... Învățarea principiilor mișcării este primul pas în înțelegerea proceselor fizice care se manifestă prin observarea, măsurarea și crearea unui model matematic bazat pe datele obținute.
Mișcarea are loc sub influența diferitelor forțe. Legile aplicării forțelor - baza mecanicii.
Când se descrie mișcarea obiectelor, ideea de energie și impuls... Vă amintiți legea conservării energiei?
„Energia nu este luată din„ nicăieri ”și nu dispare fără urmă - doar trece de la un tip la altul.”
Căldura și frigul sunt tovarăși integrali ai vieții noastre de zi cu zi.
- De ce este rouă dimineața?
- De ce ochelarii se aburesc atunci când intră într-o cameră caldă pe timp rece
- De ce spațiul este rece?
La aceste întrebări și la multe alte întrebări li se răspunde termodinamica.
Electricitate și magnetism ne conduc într-o lume fizică mai misterioasă. La urma urmei, efectul acestor fenomene fizice nu poate fi resimțit „direct”. Combinând electricitatea și magnetismul, puteți obține un fenomen atât de uimitor ca strălucirecare sta la baza vizibilitate în toată lumea.
Trebuie să spun că cea mai mare parte a fizicii este asociată cu lumea invizibilă. Orice substanță este formată din atomi, care nu sunt vizibili.
Poate fi luată în considerare „coroana” studiului fenomenelor fizice teoria relativității a lui Einstein... Cum altfel? Într-adevăr, atunci când ating viteze apropiate de viteza luminii, lucruri uimitoare se întâmplă lumii: masa tinde spre infinit; timpul - încercarea de a îngheța la loc. Știi ce se întâmplă în „găurile negre”? Credeți sau nu - „acolo” timpul și spațiul schimbă locurile!
Acesta este cât de uimitor și divers este - știința FIZICII!
Principalele etape ale dezvoltării fizicii
- În secolul al XVII-lea, Isaac Newton a creat mecanica clasică.
- Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, formarea a fost în mare parte finalizată fizica clasică.
- La începutul secolului al XX-lea, are loc o revoluție în fizică, ea devine cuantic (M. Planck, E. Rutherford, N. Bohr).
- În anii 20 a fost dezvoltat mecanica cuantică - teoria consecventă a mișcării microparticulelor (L. de Broglie, E. Schrödinger, W. Heisenberg, V. Pauli, P. Dirac). În același timp, a apărut o nouă doctrină a spațiului și a timpului - teoria relativitatii Albert Einstein, fizica este gata relativist.
- În a doua jumătate a secolului al XX-lea, are loc o altă transformare semnificativă a fizicii, asociată cu cunoașterea structurii nucleului atomic, a proprietăților particulelor elementare (E. Fermi, R. Feynman, M. Gell-Man), medii condensate (D. Bardin, L. D. Landau, N. N. Bogolyubov).
- Fizica a devenit o sursă de idei noi care au transformat tehnologia modernă: energie nucleară (I. V. Kurchatov), electronica cuantică (N. G. Basov, A. M. Prokhorov și C. Towns), microelectronica, radarul au apărut și s-au dezvoltat ca urmare a realizărilor fizicii.
Ministerul Educației și Științei din Republica Kazahstan
Universitatea de Stat Pavlodar
lor. S. Toraigyrova
V.A. Zheksenbekova, T.T. Daniyarov, M.Sh. Alinova
Fizică
Pavlodar
Manualul este recomandat pentru publicare de către secțiunea educațională și metodologică privind specialitățile de formare profesională, artă și servicii ale Consiliului Republican Educațional și Metodologic (RUMS) al Ministerului Educației și Științei din Republica Kazahstan la SKSU, numit după M. Auezova, procesul-verbal nr. 4 din 22.05.09
Recenzori:
T.S. Ramazanov - doctor în științe fizice și matematice, profesor, KazNU numit după Al-Farabi, Almaty;
S.K. Tleukenov - doctor în științe fizice și matematice, profesor, PSU S. Toraigyrov, Pavlodar;
A.M. Mubarakov - doctor în științe pedagogice, profesor, Universitatea inovatoare din Eurasia, Pavlodar.
V.A. Zheksembekova, T.T. Daniyarov, M. Sh. Alinova
A50 Fizică: manual. Pavlodar: Kereku, 2009. 370 p.
ISBN 9965 - 9965 - 32 - 910-9
Manualul rezumă experiența pregătirii viitorilor profesori de formare profesională pentru activitate profesională prin dezvăluirea conținutului și structurii unui curs de fizică, luând în considerare realizările științei și practicii moderne.
Cursul de fizică examinează problemele stipulate de cerințele standardului de specialitate, care ar trebui să ofere viitorului profesor de formare profesională elementele de bază ale pregătirii sale teoretice în diferite domenii ale științelor fizice.
Manualul este destinat studenților și studenților din specialitatea 0505120 - formare profesională, profesori și angajați ai organizațiilor de învățământ profesional.
Un 1604000000
ISBN 9965 - 9965 - 32 - 910-9
Zheksembekova V.A., Daniyarov T.T., Alinova M.Sh., 2009
Alimentator numit după S. Toraigyrova, 20099
Introducere Fizica ca știință. Conținutul și structura fizicii
„Fizică” - în greacă „natură”. Alături de alte științe ale naturii, fizica studiază proprietățile lumii din jurul nostru, structura și proprietățile materiei, legile interacțiunii și mișcării corpurilor materiale. Fizica este știința celor mai simple proprietăți generale ale materiei. Dintre toate științele naturii, fizica ocupă o poziție specială: este știința celor mai generale proprietăți și forme ale mișcării materiei. Materia este în mișcare continuă, ceea ce înseamnă orice schimbare în general. Mișcarea este o proprietate inalienabilă a materiei, care este increabilă și indestructibilă, la fel ca materia însăși. Materia există și se mișcă în spațiu și timp, care sunt forme ale ființei materiei.
Procesul de cunoaștere în fizică, ca în orice știință, începe fie cu observarea fenomenelor în condiții naturale, fie cu experimente stabilite special - experimente. Rezultat experiment, în formularea căreia cercetătorul este deja ghidat de o anumită ipoteză, face posibilă testarea ipotezei, clarificarea și extinderea acesteia până la gradul de teorie, stabilirea unei legi fizice, adică stabilirea naturii relației obiective dintre diferitele mărimi fizice. Experienţă(observare, experiment, practică) este sursa tuturor cunoștințelor noastre.
Legile fizice sunt stabilite pe baza generalizării fapte empirice și exprimă legile obiective care există în natură. Aceste legi sunt de obicei formulate sub formă de relații cantitative între diferite cantități.
Principala metodă de cercetare în fizică este experiența, adică observarea fenomenului în studiu în condiții controlate cu precizie, permițându-vă să urmăriți cursul fenomenului și să îl recreați de fiecare dată când se repetă aceste condiții. Fenomenele care nu sunt observate în mod natural în natură pot fi cauzate experimental. De exemplu, din cele cunoscute în prezent elemente chimice mai mult de zece nu au fost încă descoperite în natură și au fost obținute artificial folosind reacții nucleare.
Pe baza materialului experimental acumulat, se construiește o ipoteză științifică preliminară despre mecanismul și relația dintre fenomene - se creează o ipoteză. O ipoteză este o presupunere științifică prezentată pentru a explica un fapt sau fenomen și care necesită verificare și dovadă pentru a deveni o teorie sau o lege științifică. Corectitudinea ipotezei este verificată prin stabilirea experimentelor adecvate, prin aflarea acordului consecințelor care decurg din ipoteză cu rezultatele experimentelor și observațiilor. Un astfel de test trecut cu succes și o ipoteză dovedită se transformă într-o lege sau teorie științifică.
Teoria fizică este un sistem de idei de bază care generalizează datele experimentale și reflectă legile obiective ale naturii. Teoria fizică oferă o explicație a întregii zone a fenomenelor naturale dintr-un singur punct de vedere.
Întreaga istorie a științei arată că procesul de cunoaștere a lumii materiale nu se încheie cu fiecare astfel de cerc - de la experiență la teorie și de la teorie înapoi la experiență. Foarte curând sunt descoperite noi zone de fenomene și se acumulează fapte, a căror explicație nu se încadrează în cadrul teoriilor existente și necesită avansarea unor noi ipoteze.
Cercetarea științifică este unitatea teoriei și practicii cu rolul decisiv al practicii și rolul principal al teoriei. Fără generalizări teoretice, fără indicații ale teoriei despre direcția rezonabilă a experimentelor, este imposibil să avansăm știința. Dezvoltarea conceptelor teoretice are loc prin înlocuirea unor teorii depășite cu altele, mai perfecte, care într-un mod nou, explică mai exact gama crescută de fenomene studiate și, în același timp, rețin în sine toate semințele adevărului care erau în vechile teorii.
Obiectivele stabilite la studierea fizicii în universități sunt diverse. Cel mai important dintre ei este să vă familiarizați cu fenomenele fizice de bază, mecanismul lor, legile și aplicațiile practice. Aceasta pune baza fizică pentru studiul disciplinelor tehnice generale și speciale ulterioare. Aceste sarcini principale determină alegerea principalelor ramuri ale fizicii studiate și volumul prezentării lor.
Faptul că studiul fizicii începe cu studiul mișcării mecanice a corpurilor nu este întâmplător și este condiționat nu numai de succesiunea istorică a dezvoltării fizicii. În ciuda faptului că mișcarea mecanică este cea mai simplă formă de mișcare, a trebuit mult timp până la reprezentarea sa modernă. Cercetarea lui I. Newton a jucat un rol special în formarea mecanicii clasice.
Înainte de a formula legile de bază ale mecanicii, Newton clarifică conceptele de bază necesare pentru a le defini. Una dintre principalele consecințe ale legilor mecanicii spune: „Mișcările relative ale corpurilor închise în orice spațiu unul față de celălalt sunt aceleași, indiferent dacă acest spațiu este în repaus sau se mișcă uniform și rectiliniu fără rotație”. În altă parte, Newton afirmă: „Se poate dovedi că, în realitate, nu există un corp în repaus, căruia i-ar putea fi atribuite locurile și mișcările altora”, și astfel el crede că mișcările pe care le observăm sunt relative și nu există o mișcare absolută. Dar știe, de asemenea, că mișcarea accelerată a cadrului de referință se manifestă dinamic, provocând fenomenul de inerție.
Newton acceptă că există o odihnă absolută în natură, un cadru de referință absolut imobil. Acest spațiu gol omogen imobil al atomiștilor și al lui Euclid este recipientul pur al tuturor lucrurilor. Este esențial ca, împreună cu spațiul absolut, Newton să recunoască și timpul absolut, care curge de la sine, indiferent de orice proces. Acesta este modul în care definește timpul și spațiul absolut și relativ.
„Eu Absolut, adevăratul matematic timp prin ea însăși și prin esența sa, fără nicio relație cu nimic extern, curge uniform și se numește altfel durată. Timpul absolut diferă în astronomie de timpul obișnuit, solar, ecuația timpului.
Relativ, aparent sau obișnuit, timp - există fie o exactă, fie schimbătoare, înțeleasă de simțuri, o măsură externă a duratei efectuată prin intermediul oricărei mișcări, utilizată în viața de zi cu zi în locul adevăratului timp matematic, precum: ora, ziua, luna, anul ”. Măsurarea timpului nostru, atât imperfectă, de zi cu zi (din zori până în zori), cât și timpul astronomic exact, ne oferă un timp relativ sau obișnuit, bazat pe mișcările pe care le observăm. Aceste mișcări, chiar și rotația Pământului, pot să nu fie complet uniforme, în timp ce adevăratul timp matematic curge de la sine în mod absolut egal. Înțelegând timpul relativ, construind ceasuri din ce în ce mai exacte, ne referim la un timp ideal, adevărat, absolut de neatins.
„II. Spațiu absolut prin însăși esența sa, indiferent de ceva extern, rămâne întotdeauna la fel și nemișcat.
Spațiul relativ există măsura sa sau o parte mobilă limitată, care este determinată de sentimentele noastre de poziția sa față de unele corpuri și care în viața de zi cu zi este luată ca spațiu staționar: de exemplu, extinderea spațiului aerului subteran sau suprateran, determinat de poziția lor față de Pământ "
„III. Un loc există o parte din spațiul ocupat de corp și în raport cu spațiul este fie absolut, fie relativ "
„IV. Mișcare absolută există o mișcare a corpului dintr-un loc absolut în altul, relativ - de la relativ la relativ ”.
Din definițiile date de Newton rezultă că:
1) spațiul și timpul au realitate obiectivă; este corect;
2) spațiul și timpul nu sunt legate organic de materie; nu este adevarat. Această abordare a conceptelor de spațiu și timp este metafizică. Conceptul de spațiu-timp absolut, divorțat de corpurile materiale și de procesele reale, este metafizic. Newton însuși s-a străduit cu încăpățânare să depășească natura metafizică a definițiilor sale de spațiu și timp menționate mai sus. Newton a văzut că, pentru a depăși metafizica, este necesar să se stabilească o legătură între spațiu și timp cu materie. Dar, din cauza nivelului scăzut de atunci al cunoștințelor științifice, concluziile lui Newton, care erau în esență corecte, nu aveau încă lățimea necesară.
Dar, în ciuda acestui fapt, este important ca baza fizicii clasice să fie legile stabilite de Newton pentru mișcarea corpurilor în spațiul euclidian absolut. Conform principiului relativității, acest spațiu era reprezentat de orice cadru de referință în care acțiunea forțelor inerțiale nu se manifestă într-un mod tangibil. Faptul că spațiul absolut nu este simțit de simțurile noastre nu a zdruncinat în niciun caz convingerea lui Newton că conceptele de spațiu absolut și timp absolut ar trebui luate ca bază a mecanicii. Realitatea obiectivă a spațiului absolut și a timpului absolut pentru Newton nu a fost supusă la îndoială, prin urmare, Newton a tratat și conceptele de „odihnă” și „uniformitate” ca concepte care exprimă realitatea obiectivă, indiferent dacă este ușor sau dificil pentru noi să recunoaștem această realitate. Newton spune: "Se poate dovedi că în natură nu există corp în repaus, căruia i s-ar putea atribui locurile și mișcările altora. Este posibil să nu existe o mișcare uniformă în natură cu care timpul să poată fi măsurat cu o acuratețe perfectă". Newton consideră că aceste probleme ar trebui investigate și studiate. Fără a se opri în fața oricăror dificultăți, Newton a văzut sarcina mecanicii și fizicii în „găsirea adevăratelor mișcări ale corpurilor din motive care le produc, pentru manifestările lor și pentru diferențele în mișcările aparente”.
Multe întrebări care apar imediat după nașterea unui nou concept fizic sunt clarificate treptat, pe măsură ce fizica se dezvoltă. Acest lucru duce în continuare la extinderea și rafinarea ideilor oamenilor de știință.
În a doua jumătate a secolului al XIX-lea. a fost creată teoria câmpului electromagnetic, au fost descoperite și studiate unde electromagnetice. Pe această bază, a început dezvoltarea rapidă a ingineriei radio. Teoria cinetică moleculară, creată în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, a pornit de la presupunerea că toate corpurile sunt construite din cele mai mici particule în mișcare continuă. Aceste particule au fost numite atomi, ceea ce în greacă înseamnă „indivizibil”. Cu toate acestea, deja la sfârșitul secolului al XIX-lea, au fost descoperite particule chiar mai mici (în masă) emise de atomi - electroni încărcați negativ. Descoperirea experimentală a electronului, radioactivitatea, emisia termionică (emisia de electroni de către metalele încălzite), efectul fotoelectric (extragerea electronilor din metale sub acțiunea luminii) și alte fenomene - toate acestea au indicat faptul că atomul unei substanțe este un sistem complex construit din particule mai mici. Fizica s-a confruntat cu problema structurii atomului. Și la începutul secolului al XX-lea s-a dovedit că atomul are o structură ajurată, iar în centrul său este un nucleu încărcat pozitiv, în care este concentrată aproape toată masa atomului.
Începutul secolului al XX-lea a fost marcat de crearea teoriei relativității, care a devenit teoria principală a mișcării cu viteze apropiate de viteza luminii și a devenit baza metodelor de calcul a acceleratorilor de particule încărcate utilizate în tehnologia nucleară modernă. Această perioadă se caracterizează prin încercări persistente de a pătrunde în structura internă a atomilor. Cheia pentru elucidarea structurii atomilor a fost studiul spectrelor atomice. Primul succes izbitor în explicarea spectrelor observate a fost adus de teoria atomului, dezvoltată de Niels Bohr în 1913. Cu toate acestea, această teorie a avut trăsături evidente ale inconsecvenței: împreună cu subordonarea mișcării unui electron într-un atom față de legile mecanicii clasice, a impus restricții cuantice speciale acestei mișcări. Această neconcordanță a teoriei a trebuit curând să fie plătită. După primele succese în explicarea spectrului celui mai simplu atom - hidrogen - s-a descoperit incapacitatea teoriei lui Bohr de a explica comportamentul atomilor cu doi sau mai mulți electroni.
Este necesar să se creeze o nouă teorie integrală a atomilor. Crearea unei astfel de teorii a fost inițiată în 1924 de ipoteza îndrăzneață a lui Louis de Broglie. În acel moment, se știa că lumina, fiind un proces de undă, în același timp, într-un număr de cazuri, dezvăluie o natură corpusculară, adică se comportă ca un flux de particule. După introducerea conceptului de emisie de lumină în porțiuni separate - quanta, Max Planck (1858-1947) în 1900 a rezolvat problema radiației unui corp absolut negru. Astfel, în pragul secolului XX, a apărut conceptul de cuantică, care joacă un rol extrem de important în fizica modernă și a dus la crearea mecanicii cuantice.
De Broglie a exprimat ideea că particulele de materie, la rândul lor, trebuie să prezinte proprietăți de undă în anumite condiții. Ipoteza lui De Broglie a primit în curând o confirmare experimentală strălucitoare: s-a dovedit că un anumit proces de undă este asociat cu particulele de materie, care trebuie luate în considerare atunci când se ia în considerare mecanica atomului. Rezultatul acestei descoperiri a fost crearea de către E. Schrödinger și W. Heisenberg a unei noi teorii fizice - undele sau mecanica cuantică. Mecanica cuantică a făcut progrese izbitoare în explicarea proceselor atomice și a structurii materiei. În acele cazuri în care a fost posibilă depășirea dificultăților matematice, s-au obținut rezultate care sunt în acord excelent cu experiența.
Ultimii 100 de ani au făcut schimbări semnificative în poziția fizicii printre alte științe ale naturii. În 1919, a fost posibil pentru prima dată să împartă nucleul atomic și să arate complexitatea structurii sale. Au fost descoperite numeroase noi așa-numite particule elementare (protoni, neutroni, hiperoni, mezoni, neutrini) și s-a demonstrat că sunt capabile să se transforme unul în celălalt. Folosind acceleratoare de particule nucleare super-puternice moderne, în 1956 a fost posibil să se obțină particule noi, neobservate anterior, doar teoretic prezise de fizicieni - antiproton, antineutron etc.
Cu fiecare astfel de descoperire, ideile despre structura materiei și interacțiunea particulelor elementare au fost continuu extinse și aprofundate și a fost nevoie să se creeze noi ipoteze și să se dezvolte noi teorii. Ultimii ani au fost marcate de mari realizări în domeniul fizicii particulelor elementare, fuziunii termonucleare, electronicii cuantice, fizicii în stare solidă etc.
Deci, începutul secolului al XX-lea a fost marcat în fizică de o defalcare radicală a unui număr de concepte și idei familiare despre structura materiei. Omul pătrunde din ce în ce mai profund în esența lumii materiale din jurul său.
Impulsul pentru dezvoltarea fizicii, ca toate celelalte științe, a fost cerințele practice ale oamenilor. Mecanica vechilor egipteni și a grecilor a apărut direct în legătură cu cererile formulate de construcția de atunci și echipament militar... De asemenea, sub influența dezvoltării tehnologiei și a afacerilor militare, au fost făcute descoperiri științifice majore de la sfârșitul secolului al XVII-lea și începutul secolului al XVIII-lea.
Fondatorul fizicii și chimiei rusești, M.V. Lomonosov, și-a combinat munca științifică cu cerințele practicii. Numeroasele și variate sale studii despre natura solidelor și lichidelor, optica, meteorologia, electricitatea atmosferică au fost asociate cu diverse probleme practice.
La începutul secolului al XIX-lea, utilizarea motoarelor cu aburi a făcut necesară rezolvarea problemei celei mai profitabile conversii a căldurii în lucrări mecanice. Această problemă nu a putut fi rezolvată printr-o abordare tehnică îngustă. După ce, în 1824, inginerul francez Sadi Carnot a analizat problema transferului de căldură în muncă în termeni generali, a fost posibil să se mărească cu adevărat eficiența motoarelor termice. În același timp, munca lui Carnot a servit ca bază pentru apariția unei doctrine generale a transferului și transformării energiei, care a primit ulterior denumirea de termodinamică. Astfel, cerințele practicii conduc la noi descoperiri fizice, iar acestea din urmă servesc drept bază pentru dezvoltarea ulterioară a tehnologiei. Adesea, descoperirile fizice foarte teoretice și la prima vedere abstractă găsesc în cele din urmă cele mai diverse și importante aplicații tehnice. Descoperirea în 1831 de către Faraday a inducției electromagnetice a făcut posibilă utilizarea pe scară largă a fenomenelor electrice. Legea periodică, descoperită în 1869 de D. I. Mendeleev, nu numai că a jucat un rol excepțional în dezvoltarea teoriei atomilor și a naturii fenomenelor chimice, dar este, de asemenea, cea care guvernează rezolvarea unui număr imens de probleme practice în chimie și fizică.
În anii șaptezeci ai secolului trecut, Maxwell a creat o teorie generală a proceselor electromagnetice. Pe baza acestei teorii, el a ajuns la concluzia despre posibilitatea propagării energiei electromagnetice sub formă de unde. În 1888, Hertz a confirmat experimental corectitudinea acestei concluzii a lui Maxwell. Câțiva ani mai târziu, descoperirea lui Maxwell - Hertz a fost folosită de A.S. Popov pentru implementarea radiotelegrafiei. La rândul său, dezvoltarea ingineriei radio a deschis noi posibilități experimentale excepțional de largi pentru fizicieni în studierea proprietăților naturii. Teoria lui Maxwell este fundamentul a aproape toate ramurile ingineriei electrice și radio
Cercetările AG Stoletov asupra fenomenelor „actin-electrice” (1888-1889) au jucat un rol semnificativ în elucidarea naturii efectului fotoelectric, care este utilizat pe scară largă în tehnologia modernă (televiziune, automatizare etc.).
În prezent, problemele extrem de importante care pot schimba radical tehnologia, cum ar fi utilizarea practică directă a energiei solare sau producerea de energie prin reacții termonucleare, necesită un studiu aprofundat suplimentar al fenomenelor fizice pentru soluționarea lor. Soluția problemelor fundamentale ale fizicii elementare a particulelor, care sunt strâns legate de problema forțelor nucleare, și soluția problemei reacțiilor termonucleare controlate sunt în prezent marginea principală a frontului ofensiv al științelor fizice.
Legătura fizicii cu alte științe. Fizica este strâns legată de filozofie. Descoperirile majore din domeniul fizicii, precum legile conservării în mecanică, legea conservării și transformării energiei, a doua lege a termodinamicii etc., au fost întotdeauna arena unei lupte acute între materialism și idealism. La începutul acestui secol, în legătură cu fluxul de descoperiri ale fizicii moderne, această luptă a devenit deosebit de acerbă. Fizicienii și filozofii cu spirit idealist au încercat și încă încearcă să folosească realizările concrete ale fizicii, încălcând teoriile și conceptele fizice stabilite pentru a „răsturna” materialismul. Concluziile filosofice corecte din descoperirile științifice din domeniul fizicii au confirmat și confirmat întotdeauna principalele dispoziții ale materialismului dialectic. Prin urmare, studiul acestor descoperiri și generalizarea lor filosofică joacă un rol important în formarea unei viziuni asupra lumii cu adevărat științifice.
Ultimii 100 de ani au adus schimbări semnificative în poziția fizicii printre alte științe ale naturii. În această perioadă, fizica s-a dezvoltat într-un asemenea ritm și a obținut astfel de rezultate pe care nici una din celelalte științe ale naturii nu le-a cunoscut în întreaga istorie a existenței sale. Să ne oprim pe scurt asupra legăturii dintre fizica nucleară și alte științe.
Astrofizicăastăzi, ea explorează multe astfel de probleme, a căror soluție reușită este posibilă numai dacă se bazează pe legi de încredere ale fizicii.
Problema generării de energie în interiorul Soarelui și a altor stele la temperaturi ridicate și problema evoluției stelelor sunt strâns legate de problema reacțiilor termonucleare care au loc în interiorul stelelor. Soluția la problema vârstei obiectelor spațiale: meteoriți, Soarele, stelele, Galaxia și partea Universului accesibilă pentru noi, aparent, ar trebui să fie realizată ținând seama de perioadele de decădere ale elementelor radioactive de lungă durată și „fără părinți”, precum 92 U 238, 19 K 40 etc.
Problema originii razelor cosmice, problema „producției de perechi” de particule în condiții cosmice și multe altele sunt, de asemenea, strâns legate de problemele fizicii nucleare.
Geologie, geofizică. Soluția la întrebarea istoriei Pământului este strâns legată de studiul radioactivității naturale. Pentru a determina vârsta absolută a Pământului și a diferitelor straturi ale acestuia, metodele radioactive sunt utilizate pe scară largă. Dacă determinăm raportul dintre cantitatea unui element radioactiv (uraniu) și cantitatea de produse stabile de dezintegrare (plumb, heliu) din roca studiată, acest lucru va face posibilă calcularea vârstei rocii studiate.
Istoria termică a Pământului și problemele stării termice actuale a interiorului său sunt, de asemenea, strâns legate de problemele radioactivității naturale. În prezent, echipamentul radiometric este utilizat pe scară largă în explorarea și dezvoltarea zăcămintelor de uraniu și toriu, în metodele geofizice de prospectare și prospectare a petrolului, cărbunelui și a altor minerale.
Arheologie. Metoda studierii radioactivității obiectelor și-a găsit aplicarea în determinarea vârstei descoperirilor arheologice, c. obținând informații importante despre trecutul istoric al omenirii din aceste descoperiri istorice materiale. Această „însărcinare” importantă - de a spune despre secolele trecute - este realizată de izotopul radioactiv al carbonului 6 С 14.
Sub influența neutronilor de radiații cosmice, unii dintre nucleii de azot din atmosfera terestră sunt transformați în nuclei de carbon radioactiv 6 С 14. De-a lungul istoriei de o mie de ani a Pământului, concentrația de carbon în atmosferă a rămas practic constantă. Acestea fac parte din compușii organici prin asimilarea dioxidului de carbon de către frunzele verzi. Dacă o plantă, de exemplu un copac, moare și nu mai absoarbe compușii de carbon din atmosferă, atunci conținutul de carbon radioactiv scade treptat, pe măsură ce se descompune cu un timp de înjumătățire de 5568 de ani. După 5568 de ani, activitatea (cantitatea) de carbon 6 С 14 din cărbune scade la jumătate etc.
Chimie. Ca urmare a dezvoltării fizicii nucleare, au fost obținute artificial elemente noi de sauriu care nu apar în natură. O secțiune importantă și importantă a chimiei moderne este radiochimia, care studiază proprietățile chimice și fizico-chimice ale elementelor radioactive, dezvoltă metode pentru izolarea și concentrația izotopilor radioactivi.
Medicament. Izotopii radioactivi naturali și obținuți artificial sunt folosiți pe scară largă în medicină pentru diagnosticul și tratamentul anumitor boli. S-a stabilit prin metoda atomilor etichetați că calciul pătrunde nu numai în oase, ci și în sistemul nervos; zincul joacă un rol important în formarea insulinei și în activitatea celulelor albe din sânge. Fosforul radioactiv este utilizat pentru diagnosticarea bolilor de sânge, a tumorilor hepatice și a bolilor de piele.
Granițele dintre fizică și unele "alte științe ale naturii nu pot fi stabilite brusc. Există zone extinse de frontieră între fizică și chimie, chiar au apărut științe speciale: chimie fizică și fizică chimică. Domenii de cunoaștere în care metodele fizice sunt utilizate pentru a studia întrebări mai mult sau mai puțin particulare" Ele sunt, de asemenea, combinate în științe speciale: de exemplu, astrofizica, care studiază fenomenele fizice din cer, și geofizica, care studiază fenomenele fizice care apar în atmosfera Pământului și în scoarța terestră, au apărut. Descoperirile fizice au dat adesea un impuls dezvoltării altor științe. Invenția microscopului și a telescopului a accelerat dezvoltarea biologiei și astronomie. Analiza spectrală descoperită de fizicieni a devenit una dintre principalele metode de astrofizică etc.
Se știe că dezvoltarea științei și tehnici determinate de nevoile economice ale societății. Nivelul tehnic al producției depinde în mare măsură de starea științei. Istoria dezvoltării fizicii și tehnologiei arată cât de importante au fost descoperirile din fizică pentru crearea și dezvoltarea de noi ramuri ale tehnologiei. Fizica a fost baza pe care s-au dezvoltat domenii noi de tehnologie precum ingineria electrică și radio, tehnologia electronică și informatică, fabricarea instrumentelor, tehnologia nucleară și altele. Fizicienii echipează industria cu dispozitive și instalații fundamental noi, creează bazele unor metode de producție noi, mai avansate. Fizica semiconductoarelor s-a dezvoltat rapid și a găsit aproape imediat aplicații practice în tehnologia dispozitivelor și dispozitivelor semiconductoare.
O scurtă analiză metodologică a secțiunilor fizicii. Mecanică. În fizica modernă, conceptele de bază ale mecanicii clasice nu și-au pierdut semnificația, ci au primit doar dezvoltare ulterioară, generalizare și evaluare critică, din punctul de vedere al limitelor aplicabilității lor. Când se descriu fundamentele fizice ale mecanicii, ar trebui să se evite abstractitatea conceptelor mecanice, aducând teoria cât mai aproape posibil de fenomenele fizice reale și de natura specifică a forțelor acționante. O interpretare clară fizică și filosofică a conceptelor de mecanică clasică în fizica modernă ar trebui să fie principiul principal în studiul acestei secțiuni a programului de curs de fizică.
La începutul prezentării cinematicii unui punct și a mișcării de translație a unui corp rigid, ar trebui să ne oprim asupra acelor idei despre proprietățile spațiului și timpului care stau la baza mecanicii clasice (newtoniene). În mecanica clasică, spațiul și timpul sunt considerate ca forme obiective ale existenței materiei, dar izolat unul de celălalt și de mișcarea corpurilor materiale. Newton credea că corpurile și mișcarea lor nu afectează nici cursul timpului, care este același în toate cadrele de referință inerțiale, nici proprietățile spațiului descrise de geometria lui Euclid. În mecanica newtoniană, este recunoscută posibilitatea transferului instantaneu al interacțiunilor dintre corpuri.
Atunci când se prezintă cinematică, este necesar să se utilizeze aparatul matematic al algebrei vectoriale și al calculului diferențial. Este necesar să se obțină expresii pentru componentele tangențiale și normale ale accelerației unui punct material în mișcare curbiliniară și să se introducă conceptul de rază de curbură a traiectoriei (de exemplu, o traiectorie plană).
Oscilațiile sunt considerate aici ca unul dintre tipurile de mișcare, împreună cu mișcările rectilinii și de rotație. Pentru mișcarea oscilatorie, ca tip de mișcare, este necesar să se introducă toate caracteristicile cinematice - viteza, accelerația etc. O astfel de expunere duce la o economie semnificativă de timp pe latura matematică a problemei și, în același timp, face posibilă compararea vizuală a proceselor fizice care au loc în timpul mișcărilor corespunzătoare. Acest lucru îi ajută pe elevi să dezvolte o abordare unificată a mișcărilor de natură fizică diferită. Ori de câte ori este posibil, ar trebui utilizată metoda grafică de reprezentare a formelor de undă armonice folosind un vector rotativ. Este necesar să le explicăm elevilor că orice oscilație a unui sistem liniar poate fi întotdeauna reprezentată ca o suprapunere a oscilațiilor armonice care apar simultan cu frecvențe, amplitudini și faze inițiale diferite. Având în vedere rezonanța în timpul vibrațiilor forțate, este necesar să discutăm acest fenomen din punct de vedere energetic.
Prezentarea dinamicii unui punct material și mișcarea de translație a unui corp rigid ar trebui să fie dezvoltarea și aprofundarea secțiunii corespunzătoare a cursului de fizică în liceu. Atenția ar trebui să se concentreze asupra unor aspecte precum legea mișcării centrului de masă al unui sistem mecanic, legea conservării impulsului și condițiile pentru conservarea proiecției impulsului pe axă, lucrarea forței, exprimarea acesteia printr-o integrală curbiliniară și condiția independenței muncii de forma traiectoriei, relația energiei cinetice a unui sistem mecanic cu activitatea forțelor. atașat acestui sistem. Mai ales cu atenție și fără grabă, ar trebui să expunem întrebări despre câmp ca formă de materie care interacționează între particulele de materie sau corpuri, despre energia potențială a unui punct material dintr-un câmp extern (în special, este necesar să se ia în considerare energia din câmpul forțelor centrale) și despre legea conservării energiei mecanice.
Este recomandabil să se ia în considerare caracteristicile cinematice ale mișcării de rotație a unui corp rigid și conexiunea lor cu caracteristicile liniare imediat înainte de dinamica mișcării de rotație. Este logic să introducem conceptul de moment de forță și moment de impuls al unui sistem mecanic în raport cu un punct fix și o axă.
Legile conservării impulsului, impulsului unghiular și energiei mecanice sunt de obicei derivate pe baza legilor lui Newton. Prin urmare, este foarte important să atragem atenția elevilor asupra faptului că, spre deosebire de legile lui Newton și mecanica clasică construită pe ele, care au zone de aplicabilitate limitate, legile de conservare sunt legi universale care reflectă proprietățile fundamentale ale simetriei spațiului și timpului. Pentru a ilustra universalitatea legilor de conservare și eficacitatea utilizării lor în rezolvarea problemelor fizice reale, aceste legi pot fi aplicate la calculul impactului a două corpuri.
Când studiați subiectul cadrelor de referință non-inerțiale și al forțelor de inerție, este necesar să atrageți atenția elevilor asupra faptului că cele două prevederi de bază ale mecanicii newtoniene, conform cărora accelerația este întotdeauna cauzată de forță, iar forța este întotdeauna cauzată de interacțiunea dintre corpuri, nu sunt efectuate simultan în cadrele de referință care se deplasează cu accelerația. Este util să discutăm întrebarea dacă forțele de inerție sunt „reale” sau „fictive”.
Fizică moleculară și termodinamică. La începutul prezentării acestui lucru. Secțiunea cursului, este necesar să se explice studenților două metode calitativ diferite și complementare reciproc pentru studierea proprietăților fizice ale sistemelor macroscopice - statistică (cinetică moleculară) și termodinamică. Primul este în centrul fizicii moleculare, al doilea este termodinamica. Trebuie remarcat faptul că proprietățile unei colecții uriașe de molecule sunt diferite de cele ale fiecărei molecule individuale. Chiar dacă, așa cum se face în fizica statistică clasică, pe baza unei imagini mecanice a lumii, putem presupune că fiecare moleculă se mișcă conform legilor mecanicii newtoniene, mișcarea totală a unui grup imens de molecule are legi specifice. Proprietățile unui sistem macroscopic sunt determinate în cele din urmă de proprietățile particulelor sistemului, de caracteristicile mișcării lor și de valorile medii ale caracteristicilor dinamice ale acestor particule.
Vorbind despre metoda termodinamică, este necesar să se formuleze clar definițiile unor astfel de concepte de bază ale termodinamicii ca un sistem termodinamic, parametrii termodinamici (parametri de stare), starea de echilibru, ecuația de stare, procesul termodinamic, energia internă etc. Trebuie subliniat faptul că termodinamica, spre deosebire de fizica moleculară nu este asociată cu nicio imagine fizică specifică a lumii. Se bazează pe mai multe principii universale - principiile termodinamicii, confirmate în mod fiabil de experimente. Aceasta este, pe de o parte, puterea metodei termodinamice, potrivită pentru analiza celor mai diverse sisteme fizice și, pe de altă parte, slăbiciunea acesteia. . De exemplu, folosind metode termodinamice este imposibil să se obțină ecuația de stare a sistemului, este imposibil să se dovedească existența fluctuațiilor etc.
Trecând la considerarea teoriei moleculare-cinetice a unui gaz ideal, este necesar să ne oprim asupra rolului pe care îl joacă modelul sistemului considerat în fizica moleculară. Trebuie subliniat faptul că alegerea acestui model depinde nu numai de caracteristicile specifice ale sistemului, ci și de proprietățile sale care sunt cercetate. De exemplu, atunci când se calculează presiunea gazului pe pereții unui vas, este posibil, într-o primă aproximare, să se ia molecule de gaz ca bile elastice de dimensiuni mici, care se mișcă aleator în vas și se ciocnesc numai cu acesta ziduri. În același timp, pentru a explica procesele de stabilire a unei distribuții de echilibru a moleculelor de gaz, precum și regularitățile fenomenelor de transport, este absolut necesar să se țină seama de coliziunile moleculelor între ele, deși în acest caz propriul lor volum poate fi încă neglijat. În acest sens, este foarte instructiv să comparăm la curs prelegerea valorilor volumului intrinsec total și a suprafeței totale a tuturor moleculelor de gaz din vas, respectiv, cu volumul vasului și suprafața pereților acestuia. În cele din urmă, în teoria molecular-cinetică a capacității de căldură a unui gaz, este deja necesar să se ia în considerare structura internă a moleculelor. Pentru a explica diferența dintre proprietățile gazelor reale și ideale, este necesar să se rafineze în continuare modelul de gaz, astfel încât să țină seama de acțiunea forțelor de atracție reciprocă și de respingere a moleculelor, așa cum se face, de exemplu, în modelul de gaze van der Waals.
Este necesar să se ia în considerare în detaliu suficiente aspecte precum teoria molecular-cinetică a gazelor ideale și limitările sale, limitele de aplicabilitate ale legii echipației de energie, legile distribuției lui Maxwell și Boltzmann.
Este oportun să formulăm și să scriem prima lege a termodinamicii pentru o mică modificare a stării unui sistem închis, adică un sistem care schimbă energia cu mediul extern doar prin schimbul de căldură și efectuarea muncii. Este necesar să le explicăm elevilor că energia internă, spre deosebire de căldură și muncă, este o funcție a stării. Folosind expresia energiei interne a unui gaz ideal, obținută din reprezentări moleculare-cinetice, ar trebui să notăm ecuația primei legi a termodinamicii pentru un gaz ideal și apoi să aplicăm această lege calculului a trei izoprocese și procesului adiabatic al gazelor ideale. În concluzie, putem lua în considerare procesul poltropic. Este foarte util să îi învățați pe elevi să descrie și să recunoască tot felul de procese poltropice în diferite diagrame termodinamice. A doua lege a termodinamicii și interpretarea statistică a acesteia, precum și conceptul de entropie, au nevoie de o atenție deosebită în prezentare. Este foarte util să se dea mai multe formulări diferite ale celei de-a doua legi a termodinamicii și să se arate că acestea sunt complet echivalente. Nu este recomandabil să prezentați dovada teoremei lui Carnot privind independența eficienței unui ciclu Carnot reversibil față de natura fluidului de lucru. Este necesar să găsiți o expresie pentru entropia unui gaz ideal și să arătați cu acest exemplu că entropia, spre deosebire de cantitatea de căldură, este o funcție de stare.
Electricitate și magnetism.În electrostatică și apoi în electrodinamică, pentru prima dată la un curs de fizică, teoria câmpului este considerată mai mult sau mai puțin serios cu un aparat matematic adecvat. Elevii ar trebui să fie atrași de legătura dintre teorema Ostrogradsky-Gauss și legea Coulomb și proprietățile geometrice ale spațiului. Din același punct de vedere, este recomandabil să abordăm problema distribuției sarcinilor în conductori într-un câmp electrostatic. Pentru a explica legea conservării sarcinii electrice, este necesar să se sublinieze din nou rolul și semnificația legilor de conservare în fizică. Nu ar trebui să vă lăsați purtați cu calcularea câmpurilor complexe prin metoda de suprapunere. Se recomandă acordarea unei atenții principale semnificației fizice a potențialului și relației acestuia cu intensitatea câmpului, reprezentării grafice și analizei dependențelor puterii și potențialului de coordonate pentru câmpurile electrostatice create de cele mai simple sisteme de încărcare simetrică.
O atenție specială ar trebui acordată gamei de probleme legate de calculul câmpului electrostatic în medii dielectrice. Este necesar să se introducă o clasificare a sarcinilor în liberă și legată, să se ia în considerare mecanismul și să se calculeze polarizarea dielectricelor cu molecule nepolare și polare. Se recomandă introducerea deplasării electrice în legătură cu dovada teoremei Ostrogradskii - Gauss pentru un câmp electrostatic într-un mediu dielectric (acest lucru se face de obicei folosind exemplul unui câmp într-un mediu dielectric cu molecule nepolare). Mai mult, se recomandă obținerea condițiilor pe care vectorii de intensitate a câmpului și deplasarea electrică la interfața dintre două medii dielectrice le îndeplinesc și luarea în considerare a exemplelor de calcul al puterii și potențialului câmpului electrostatic într-un dielectric. Ne putem limita la o descriere fenomenologică calitativă a proprietăților feroelectricelor.
Când se prezintă problema energiei conductorilor încărcați și a unui condensator, trebuie subliniat că, rămânând în cadrul electrostaticului, este imposibil să se rezolve fără echivoc problema localizării acestei energii. Este recomandabil, ori de câte ori este posibil, să se utilizeze legea conservării și transformării energiei.
Secțiunea DC a cursului nu trebuie extinsă în cursuri. În prezentarea teoriei electronice clasice a conductivității metalelor, este necesar să spunem atât despre realizările acestei teorii, cât și despre dificultățile. În legătură cu legea lui Ohm, este necesar să se facă o distincție clară între concepte precum diferența de potențial, forța electromotivă și tensiunea electrică. De asemenea, este necesar să se introducă caracteristici electrice punctuale și să se formuleze legile curentului continuu sub formă diferențială.
Ca principală caracteristică a câmpului magnetic, ar trebui introdusă inducția magnetică, pe baza acțiunii forței câmpului magnetic, fie pe un element mic al unui conductor cu un curent, fie pe o buclă mică închisă cu un curent. Este recomandabil să introduceți intensitatea câmpului magnetic mult mai târziu atunci când studiați câmpul magnetic într-o substanță. Nu ar trebui să vă lăsați purtați cu calcule complexe ale câmpurilor magnetice bazate pe legea Biot-Savart-Laplace. Este important să subliniem că principiul suprapunerii este îndeplinit pentru câmpurile magnetice. Legea totală a curentului pentru un câmp în vid și teorema Ostrogradsky-Gauss sunt suficiente pentru a arăta folosind exemplul câmpului magnetic al unui conductor drept cu curent.
Având în vedere efectul unui câmp magnetic asupra unei sarcini mobile, este necesar să se acorde o atenție specială problemei interpretării relativiste a interacțiunii magnetice, precum și analizei legilor care guvernează mișcarea particulelor încărcate într-un câmp magnetic și utilizarea practică a acestor legi în acceleratoare, generatoare MHD, spectrometre de masă etc.
Este suficient să luăm în considerare calitatea legii Faraday-Maxwell a inducției electromagnetice, pe baza experimentelor. În cel de-al doilea caz, este necesar să ne oprim asupra energiei datorită căreia se efectuează activitatea curentului de inducție. Este foarte instructiv să discutăm apariția EMF a inducției electromagnetice și a curentului de inducție într-un circuit conductor staționar situat într-un câmp magnetic alternativ.
Când se iau în considerare proprietățile magnetice ale unei substanțe, este necesar să ne oprim asupra ipotezei curenților moleculari ai lui Ampere și, de asemenea, să introducem conceptul de macro- și microcurenți și magnetizare. Având în vedere teoria elementară a dia- și paramagnetismului, ar trebui subliniat imposibilitatea oricărei teorii clasice a proprietăților magnetice ale materiei. Este oportun să se introducă intensitatea câmpului magnetic în legătură cu generalizarea legii curentei totale în câmpul magnetic într-o substanță (acest lucru se face de obicei folosind exemplul unui câmp într-un mediu diamagnetic). Apoi, se recomandă obținerea condițiilor satisfăcute de inducția magnetică și intensitatea câmpului magnetic la interfața dintre cele două medii. Prezentarea proprietăților feromagnetilor ar trebui să fie fenomenologică.
În concluzie, trebuie să luăm în considerare bazele teoriei lui Maxwell pentru câmpul electromagnetic. În acest caz, o atenție specială ar trebui acordată sensului fizic al generalizărilor legilor stabilite experimental, care au fost făcute de Maxwell. Este necesar să subliniem natura relativă a componentelor electrice și magnetice ale câmpului electromagnetic, adică dependența lor de alegerea cadrului de referință inerțial.
Optica și fundamentele fizicii nucleare. Optica undelor este prezentată ca parte a teoriei generale a propagării undelor. Ar trebui subliniată generalitatea fenomenelor de interferență și difracție a undelor de orice natură. Prezentarea acestor fenomene ar trebui să pregătească elevul să înțeleagă elementele de bază ale mecanicii cuantice. Împreună cu proprietățile generale ale undelor, trebuie menționate caracteristicile specifice ale undelor de lumină și aplicațiile lor practice. Coerența și monocromaticitatea ar trebui asociate cu durata finită a luminiscenței unui atom individual. Este util să calculați interferența multor unde utilizând o metodă grafică. Trebuie comparate metodele de observare a liniilor cu o pantă egală și o grosime egală.
Este necesar să se formuleze clar condițiile pentru observarea difracției. Atunci când se prezintă principiul Huygens - Fresnel, acesta ar trebui considerat ca o tehnică de calcul care înlocuiește soluția riguroasă, dar foarte dificilă a ecuației undei. Când se ia în considerare radiația Vavilov-Cherenkov, trebuie subliniat faptul că acest fenomen clasic poate fi interpretat pe baza ideilor despre interferența luminii. Explicația birefringenței trebuie efectuată pe baza conceptelor electromagnetice și luând în considerare anizotropia proprietăților electrice ale cristalelor. Este necesar să subliniem importanța efectelor de polarizare pentru demonstrarea experimentală a transversalității undelor de lumină, precum și să atragem atenția asupra aplicării lor practice.
Problema radiației termice este o etapă importantă în formarea perspectivei științifice a studenților, deoarece tranziția de la fizica clasică la fizica cuantică este asociată cu teoria radiației de echilibru a unui corp absolut negru. Este important să subliniem acordul teoriei clasice cu experimentul în regiunea frecvențelor joase și discrepanța în regiunea frecvențelor înalte. Este necesar să se ia în considerare ipoteza lui Planck asupra cuantificării energiei oscilatoarelor. Derivarea completă a energiei medii a oscilatorului și a formulei lui Planck pe baza acestei ipoteze nu este necesară. Este necesar să se arate că la frecvențe joase se transformă în formula clasică Rayleigh - Jeans.
După analiza dificultăților fizicii clasice în interpretarea legilor efectului fotoelectric extern, este necesar să ne oprim asupra ipotezei lui Einstein despre „cuantele de lumină”, numite ulterior fotoni, adică despre structura discretă a radiației.
În prezentarea presiunii luminii, este necesar să ne oprim asupra experimentelor lui P. N. Lebedev, care sunt un model de artă experimentală și care au jucat un rol important în confirmarea teoriei electromagnetice a luminii. Este necesar să se explice calitativ apariția presiunii luminii din punct de vedere clasic (unde) și să se obțină o formulă pentru presiune pe baza reprezentărilor cuantice. Efectul Compton ar trebui considerat ca fiind cea mai completă și mai vie reprezentare a proprietăților corpusculare ale radiației. Confirmă natura universală a legilor de conservare.
Analiza dualității proprietăților luminii ar trebui să pregătească elevii pentru percepția dualității proprietăților materiei. Este important să subliniem natura statistică a fotonilor care lovesc puncte individuale pe ecran. Discutând despre experimente privind difracția electronilor, este necesar să subliniem importanța lor ca dovadă a existenței proprietăților undei în particulele de materie. Relația de incertitudine ar trebui luată în considerare în legătură cu dualitatea undă-particulă a proprietăților materiei. Ar trebui subliniat semnificația fizică a relației de incertitudine ca limitare cuantică a aplicabilității conceptelor de mecanică clasică. Atunci este necesar să se ia în considerare relația de incertitudini pentru energie și timp. În concluzie, este necesar să subliniem că din relația de incertitudine rezultă că este necesar să se descrie starea unui micro-obiect cu ajutorul unei funcții de undă și să se explice semnificația statistică a funcției de undă a unei particule.
Fizica nucleului atomic. Vorbind despre compoziția nucleului și caracteristicile acestuia, este oportun, dacă timpul permite, să se înceapă cu caracteristicile metodelor experimentale pentru determinarea masei, dimensiunilor liniare, momentului unghiular și momentului magnetic al nucleilor atomici. Este foarte important să argumentăm pentru imposibilitatea existenței electronilor în nucleele atomilor. Vorbind despre compoziția nucleului și interacțiunea nucleonilor din nucleu, este necesar să luăm în considerare proprietățile forțelor nucleare și să ne oprim asupra naturii de schimb a acestora. Defectul de masă ar trebui interpretat ca diferența dintre masa unui atom a unui izotop dat și numărul său de masă, adică numărul de nucleoni din nucleu. Este necesar să subliniem existența unei dependențe a energiei specifice de legare a nucleelor \u200b\u200b(energie de legare per nucleon) de numărul de masă.
Având în vedere decăderea α a nucleelor, ar trebui să ne oprim asupra mecanismului cuantic al acestui fenomen, care servește ca exemplu de manifestare a efectului de tunelare. Este important să atragem atenția elevilor asupra naturii discrete a spectrului energetic al particulelor α și al radiației γ, care indică cuantificarea energiei nucleare. Este necesar să ne concentrăm în mod special asupra dificultăților care au apărut în reconcilierea legilor decăderii β cu legile conservării energiei și a momentului unghiular și asupra faptului că s-a găsit o ieșire din aceste dificultăți prin introducerea ipotezei existenței neutrinilor.
Este recomandabil să începeți examinarea reacțiilor nucleare cu o descriere a experimentului lui Rutherford și descoperirea radioactivității artificiale. În acest sens, este necesar să ne oprim pe scurt asupra fenomenelor de radioactivitate nucleară, precum și asupra fenomenului de captare a electronilor. Trebuie subliniat faptul că în toate reacțiile nucleare sunt îndeplinite legile conservării energiei, impulsului, impulsului unghiular, sarcinii electrice (numărul de încărcare) și masa (numărul de masă). O atenție deosebită trebuie acordată reacției de fisiune a nucleelor \u200b\u200bgrele și echilibrului său energetic. Pentru a justifica reacția de fisiune, se recomandă utilizarea modelului de picături al nucleului lui N. Bohr-L I. Frenkel. În legătură cu luarea în considerare a reacțiilor de fuziune nucleară, ar trebui să ne oprim asupra problemei implementării reacțiilor termonucleare controlate. Este necesar să subliniem importanța enormă a acestei probleme, deoarece soluția sa va deschide o sursă inepuizabilă de energie pentru omenire.
În concluzie, este necesar să ne oprim asupra a patru interacțiuni fundamentale, asupra clasificării, proprietăților de bază și transformărilor reciproce ale particulelor elementare, evitând în același timp supraîncărcarea inutilă a memoriei elevilor cu o cantitate mare de date de fapt. Trebuie remarcat faptul că conceptele moderne de fizică cu privire la aceste probleme sunt încă departe de a fi complete.
Fizica (greacă de la physis - natură) este știința naturii, care studiază cel mai simplu și în același timp cel mai mult proprietăți generale lumea materială.
Fizica este una dintre principalele domenii ale științei naturale - știința despre proprietățile și structura lumii, despre formele mișcării și schimbării acesteia, despre legile generale ale fenomenelor naturale.
Fondatorii fizicii sunt oameni de știință atât de mari precum: Galio Galilei - fizician italian, astronom, filosof, matematician, Blaise Pascal - matematician francez, fizician, filosof religios, Isaac Newton - matematician, astronom, fizician englez. Newton este considerat a fi fondatorul fizicii.
Din primele civilizații care au apărut pe malurile Tigrului, Eufratului și Nilului, nu existau dovezi în domeniul cunoașterii fizice, în acel moment nu exista un sistem de cunoaștere fizică, ci existau doar anumite descrieri și fapte care nu erau confirmate de generalizări și concluzii teoretice. Anticii numeau fizică orice studiu al lumii înconjurătoare și al fenomenelor naturale. Această înțelegere a fizicii a persistat până la sfârșitul secolului al XVII-lea.
Aristotel în secolul IV î.Hr. a folosit pentru prima dată cuvântul „fuzis”, care înseamnă natură. De asemenea, a folosit cuvintele „materie” și „formă”.
Deci, din ce perioadă a istoriei a apărut fizica, care încă nu putea fi numită știință?
În opinia noastră, observarea naturii a început în cele mai vechi timpuri, când o persoană avea nevoie să se hrănească pe sine și pe cei dragi, dar o persoană nu trecuse încă la agricultură și creșterea vitelor, ci folosea fructele pădurii și vâna animale sălbatice.
Să încercăm să ne imaginăm o imagine abstractă. Din întâmplare, într-un paravânt, unde copacii sunt răsturnați haotic, unul dintre ei s-a dovedit a fi pe celălalt, astfel încât sistemul rădăcină al copacului „rupt” se întindea pe pământ, trunchiul său, sprijinit de un alt copac, atârna liber. Omul antic a pășit din greșeală pe trunchi destul de departe de punctul de sprijin, cu greutatea sa ridicat întregul sistem radicular al copacului cu o greutate mult mai mare decât greutatea persoanei însuși.
Persoana nu a înțeles nimic, dar a observat această caracteristică, pe care a început să o aplice dacă este necesar. A apărut deci o pârghie. Acest lucru s-a întâmplat cu mult înainte de cercetarea lui Arhimede (287 î.Hr.). Credem că omul a observat și a calculat oarecum raportul brațelor pârghiei și forțelor care acționează asupra ei.
Arhimede a adus în sistem toată experiența acumulată. Conform legendei, Arhimede a rostit binecunoscuta frază: „Dă-mi un punct de sprijin și voi ridica Pământul!”
Desigur, a vrut să spună folosirea pârghiei.
Contribuția lui Arhimede la matematică și fizică este, fără îndoială, mare. Arhimede este fondatorul mecanicii teoretice și hidrostatice. El a dezvoltat metode pentru găsirea zonelor, suprafețelor și volumelor de diferite forme și corpuri.
În lucrările sale fundamentale despre statică și hidrostatică (legea lui Arhimede), Arhimede a dat exemple de aplicare a matematicii în științele și tehnologia naturii. El deține multe invenții tehnice: șurubul lui Arhimede, determinarea compoziției aliajelor prin cântărirea în apă, sisteme de ridicare a greutăților grele, mașini de aruncat militare.
În fizică, Arhimede a introdus conceptul de „centru de greutate”. El a stabilit principiile științifice ale staticii și hidrostaticii, a dat exemple de aplicare a metodelor matematice în cercetarea fizică. Principalele prevederi ale staticii sunt formulate în eseul „Despre echilibrul figurilor plane”. Arhimede concluzionează despre legea pârghiei. Faimoasa lege a hidrostaticii, care a intrat în știință cu numele de Arhimede (legea lui Arhimede), este formulată în tratatul „Despre corpurile plutitoare”.
Credem că apariția pânzei s-a întâmplat și întâmplător. Oamenii antici au câștigat din nou experiență prin observație. Credem că o persoană a observat că, dacă vă ridicați și înotați pe un butuc cu ajutorul unui vâs primitiv și, în același timp, bate un vânt frumos, atunci buștenul începe să se miște destul de repede. Poate o persoană a observat că un trunchi de copac plutind pe apă cu ramuri care ies în mișcare mai repede decât fără ramuri. Mai târziu, o persoană a construit în mod deliberat un fel de navă din ramuri cu frunze sau din piei de animale. Așadar, a apărut prima velă primitivă.
Multe secole mai târziu, ca urmare a experienței acumulate de omenire, au apărut nave cu vele care erau deja capabile să navigheze împotriva vântului. Și printre ele se numără și barca, cea mai modernă navă cu vele. Acest fenomen se bazează pe adăugarea de forțe acționante.
O altă mare invenție a antichității este roata. Credem că aceasta este cel mai probabil o invenție colectivă, deoarece o persoană nu ar putea să inventeze o roată, apoi să o pună pe o axă, să fixeze o platformă pe ea și astfel să obțină un cărucior. Credem că oamenii antici au observat că, dacă luați un bușten gros, este mai ușor să-l mutați de-a lungul solului dacă puneți butuci rotunzi de lemn sub bușteni. Ca rezultat al reflecțiilor unei persoane, nici măcar un grup de oameni, ci generații întregi, a apărut o roată.
Invenția roții a dat un impuls extraordinar dezvoltării civilizației moderne.
Aici aș dori să menționez civilizația incașilor antici. Incașii sunt un trib indian care a trăit pe meleagurile țărilor moderne precum Peru, Ecuador, Bolivia și altele. Vechii incași nu știau și nu foloseau roata din cauza reliefului terenurilor pe care le ocupau. Peru este o țară muntoasă, iar incașii nu au observat faptul că jurnalul notoriu poate fi mutat prin pitching.
Deci, credem că fizica s-a născut pe baza colecției de observații, experiență, informații. Când s-au acumulat o mulțime de astfel de informații, cei mai mari oameni de știință din antichitate au sistematizat cunoștințele acumulate, creând o teorie fundamentală a mecanicii.
Am dori să încheiem mica noastră reflecție asupra momentului în care s-a născut fizica cu un poem:
Citiți, ascultați și înțelegeți
Gândește mai des, gândește, învață,
Sunteți în diferite genuri „zburați”
Și „înghiți” complet cărțile,
Dar nu ratați nimic!
Luați în considerare faptul că fiecare persoană rezonabilă
Citește cărți din ani diferiți.
El trăiește în ei, cântă și dansează,
El ia toate cunoștințele acolo
Și știe totul la propriu
Participă, gândește, învață,
Înapoi în lume
El le va spune tuturor
Ce peisaje minunate dau
Poze din acele văi minunate
Unde este viața pe care a trăit-o mental
Și am deschis lumea din alte părți.
Pentru care am mulțumit toată viața
Lumina minunată literară,
Vărsat pe lume încă din cele mai vechi timpuri.
Literatură:
1. Marele dicționar enciclopedic, cap. ed. Prokhorov A.M. - Moscova: Marea Enciclopedie Rusă, 2002. - 1456 p.
2. Zhitomirskiy SV Om de știință din Siracuza: Arhimede. Poveste istorică. - M.: Young Guard, 1982 .-- 191 p.
3. Ozhegov SI, Shvedova N. Yu. Dicționar explicativ al limbii ruse: 72500 de cuvinte și expresii / Academia Rusă de Științe. Institutul de Limba Rusă; Fundația Culturală Rusă. - M.: Az Ltd., 1992. - 960 p.
4. Poezie Tsareva M. V., „Cărți de lectură grozave”, 2015.
Dezvoltarea fotonicii poate face posibilă crearea de computere fundamental noi - fotonice - și alte tehnologii fotonice, care vor înlocui tehnologia electronică existentă. Dezvoltarea dinamicii gazelor a dus la apariția avioanelor și a elicopterelor.
Cunoașterea fizicii proceselor care apar în natură este în continuă extindere și aprofundare. Majoritatea noilor descoperiri vor găsi în curând aplicații tehnice și economice (în special în industrie). Cu toate acestea, cercetătorii se confruntă în mod constant cu noi enigme - sunt descoperite fenomene, pentru explicarea și înțelegerea cărora sunt necesare noi teorii fizice. În ciuda cantității uriașe de cunoștințe acumulate, fizica modernă este încă foarte departe de a explica toate fenomenele naturale.
Bazele științifice generale ale metodelor fizice sunt dezvoltate în teoria cunoașterii și metodologia științei.
Subiect de fizică
Natura cantitativă a fizicii
Fizică - știință cantitativă. Un experiment fizic se bazează pe măsurători, adică o comparație a caracteristicilor fenomenelor studiate cu anumite standarde. În acest scop, fizica a dezvoltat un set de unități fizice și instrumente de măsurare. Unitățile fizice individuale sunt combinate în sisteme de unități fizice. Deci, în stadiul actual al dezvoltării științei, Sistemul Internațional de Unități (SI) este standardul, dar majoritatea teoreticienilor preferă în continuare să utilizeze Sistemul de Unități Gaussian (CGS).
Relațiile cantitative obținute experimental permit utilizarea metodelor matematice pentru prelucrarea lor și construirea modelelor teoretice, adică a modelelor matematice ale fenomenelor studiate.
Odată cu schimbarea ideilor despre natura anumitor fenomene, se schimbă și unitățile fizice în care sunt măsurate mărimile fizice. De exemplu, pentru a măsura temperatura, au fost propuse mai întâi scale arbitrare de temperatură, care au împărțit intervalul de temperatură între fenomenele caracteristice (de exemplu, înghețarea și fierberea apei) într-un anumit număr de intervale mai mici, care au fost numite grade de temperatură. Pentru a măsura cantitatea de căldură, a fost introdusă o unitate - o calorie, care determina cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un gram de apă cu un grad. Cu toate acestea, de-a lungul timpului, fizicienii au stabilit o corespondență între formele mecanice și cele termice ale energiei. Astfel, s-a dovedit că unitatea propusă anterior de cantitatea de căldură, calorii, este redundantă, la fel ca unitatea de măsurare a temperaturii. Atât cantitatea de căldură, cât și temperatura pot fi măsurate în unități de energie mecanică. În epoca modernă, caloriile și gradul nu au ieșit din uz practic, dar există un raport numeric exact între aceste cantități și unitatea de energie de Joule. Gradul, ca unitate de măsurare a temperaturii, este inclus în sistemul SI, iar coeficientul de tranziție de la valori de temperatură la energie - constanta lui Boltzmann - este considerată o constantă fizică.
Istoria fizicii
Oamenii au încercat să înțeleagă proprietățile materiei din cele mai vechi timpuri: de ce cad corpurile la pământ, de ce diferite substanțe au proprietăți diferite, etc. Oamenii au fost interesați și de problema structurii lumii, a naturii Soarelui și a Lunii. La început, au încercat să caute răspunsuri la aceste întrebări în filozofie. Majoritatea teoriilor filosofice care au încercat să ofere răspunsuri la astfel de întrebări nu au fost testate în practică. Cu toate acestea, în ciuda faptului că teoriile filosofice adesea descriau incorect observațiile, chiar și în cele mai vechi timpuri omenirea a făcut progrese semnificative în astronomie, iar marele om de știință grec Arhimede a reușit chiar să ofere formulări cantitative precise ale multor legi ale mecanicii și hidrostaticii. Unele teorii ale gânditorilor antici, cum ar fi ideile despre atomi, care au fost formulate în Grecia antică și India, au fost înaintea timpului lor. Treptat, științele naturii au început să se separe de filosofia generală, a cărei fizică a devenit cea mai importantă componentă. Deja Aristotel a folosit titlul „Fizică” în titlul unuia dintre principalele sale tratate. În ciuda unui număr de afirmații incorecte, fizica lui Aristotel a rămas baza cunoașterii despre natură timp de secole. Perioada anterioară revoluției științificeTendința umanității de a se îndoi și de a revizui dispozițiile care anterior erau considerate singurele adevărate, în căutarea răspunsurilor la noi întrebări, a dus în cele din urmă la era marilor descoperiri științifice, care astăzi se numește revoluția științifică, care a început la mijlocul secolului al XVI-lea. Condițiile prealabile pentru aceste schimbări fundamentale s-au format grație moștenirii gânditorilor antici, a căror moștenire poate fi urmărită în India și Persia. Savantul persan Nasir ad-Din at-Tusi a subliniat neajunsuri semnificative ale sistemului ptolemeic. Europa medievală a pierdut de ceva timp cunoștințele timpurilor străvechi, dar sub influența califatului arab, lucrările lui Aristotel păstrate de arabi s-au întors. În secolele XII-XIII, lucrările savanților indieni și persani și-au găsit drumul spre Europa. În Evul Mediu, a început să prindă contur metoda științifică, în care rolul principal a fost atribuit experimentelor și descrierii matematice. Ibn al-Haytham ( Alhazen) în „Cartea de optică”, scrisă în 1021, a descris experimente care confirmă teoria viziunii sale, conform căreia ochiul percepe lumina emisă de alte obiecte și nu ochiul însuși emite lumină, așa cum credeau mai devreme Euclid și Ptolemeu. O cameră obscură a fost utilizată în experimentele lui Ibn al-Haytham. Folosind acest dispozitiv, el și-a testat ipotezele cu privire la proprietățile luminii: fie lumina călătorește în linie dreaptă, fie diferite raze de lumină sunt amestecate în aer. Revoluția științificăPerioada revoluției științifice se caracterizează prin stabilirea metodei științifice de cercetare, izolarea fizicii de masa filosofiei naturale într-o zonă separată și dezvoltarea ramurilor separate ale fizicii: mecanică, optică, termodinamică etc. Majoritatea istoricilor sunt de părere că Revoluția Științifică a început în 1543, când lui Nicolaus Copernic i-a fost adus pentru prima dată de la Nürnberg o copie tipărită a cărții sale Despre rotația sferelor cerești. După aceea, timp de aproximativ o sută de ani, omenirea a fost îmbogățită de munca unor cercetători precum Galileo Galilei, Christian Huygens, Johannes Kepler, Blaise Pascal și alții. Galileo a fost primul care a aplicat în mod consecvent metoda științifică, realizând experimente pentru a confirma ipotezele și teoriile sale. El a formulat unele legi ale dinamicii și cinematicii, în special legea inerției și le-a testat empiric. În 1687, Isaac Newton a publicat cartea Principia, în care a descris în detaliu două teorii fizice fundamentale: legile mișcării corpurilor, cunoscute sub numele de legile lui Newton și legile gravitației. Ambele teorii erau în acord excelent cu experimentul. Cartea a prezentat, de asemenea, teorii despre mișcarea fluidelor. Ulterior, mecanica clasică a fost reformulată și extinsă de Leonard Euler, Joseph Louis Lagrange, William Rowan Hamilton și alții. Legile gravitației au pus bazele a ceea ce ulterior a devenit astrofizică, care folosește teorii fizice pentru a descrie și explica observațiile astronomice. În Rusia, Mihail Lomonosov a fost primul care a adus o contribuție semnificativă la dezvoltarea mineralogiei fizice, a fizicii matematice, a biofizicii și a astronomiei în secțiunea privind studiul aurorelor și fizica cozilor de comete. Printre cele mai semnificative realizări științifice ale sale în domeniul fizicii se numără teoria atomico-corpusculară a structurii materiei și a materiei. Lucrările lui Lomonosov și ale colegului său GV Rikhman au adus o contribuție importantă la înțelegerea naturii electrice a descărcărilor de trăsnet. Lomonosov nu numai că a efectuat un strălucit studiu pe termen lung al electricității atmosferice și a stabilit o serie de legi empirice ale fenomenelor de furtună, dar, de asemenea, în lucrarea sa „Un cuvânt despre fenomenele aeriene care apar din forța electrică” (1753) a explicat cauza apariției energiei electrice în nori cu tunuri prin convecția aerului cald (lângă suprafața Pământului) și aer rece (în atmosfera superioară). Lomonosov a dezvoltat teoria luminii și a propus o teorie a culorii în trei componente, cu ajutorul căreia a explicat mecanismele fiziologice ale fenomenelor culorilor. Potrivit lui Lomonosov, culorile sunt cauzate de acțiunea a trei tipuri de eter și a a trei tipuri de materii de detectare a culorii care alcătuiesc fundul ochiului. Teoria culorii și a viziunii culorilor, pe care Lomonosov a prezentat-o \u200b\u200bîn 1756, a trecut testul timpului și și-a luat locul de drept în istoria opticii fizice. După stabilirea legilor mecanicii de către Newton, electricitatea a devenit următorul domeniu de cercetare. Bazele pentru crearea teoriei electricității au fost puse de observațiile și experimentele unor oameni de știință din secolele al XVII-lea și al XVIII-lea precum Robert Boyle, Stephen Gray, Benjamin Franklin. S-au format conceptele de bază - sarcină electrică și curent electric. În 1831, fizicianul englez Michael Faraday a arătat legătura dintre electricitate și magnetism, demonstrând că un magnet în mișcare induce un curent într-un circuit electric. Pe baza acestui concept, James Clerk Maxwell a construit teoria câmpului electromagnetic. Sistemul ecuațiilor lui Maxwell a implicat existența undelor electromagnetice care se propagă cu viteza luminii. Confirmarea experimentală a acestui fapt a fost găsită de Heinrich Hertz, care a descoperit unde radio. Odată cu construcția teoriei câmpului electromagnetic și a undelor electromagnetice, victoria teoriei undelor luminii, fondată de Huygens, asupra teoriei corpusculare a lui Newton, s-a finalizat construcția opticii clasice. Pe această cale, optica a fost îmbogățită prin înțelegerea difracției și a interferenței luminii, realizată prin lucrarea lui Augustin Fresnel și Thomas Jung. În secolul al XVIII-lea și începutul secolului al XIX-lea, au fost descoperite legile de bază ale comportamentului gazelor, iar lucrarea lui Sadi Carnot asupra teoriei motoarelor termice a deschis o nouă etapă în dezvoltarea termodinamicii. În secolul al XIX-lea, Julius Meyer și James Joule au stabilit echivalența energiilor mecanice și termice, ceea ce a dus la o formulare extinsă a legii conservării energiei (prima lege a termodinamicii). Datorită lui Rudolf Clausius, a fost formulată a doua lege a termodinamicii și a fost introdus conceptul de entropie. Mai târziu, Josiah Willard Gibbs a pus bazele fizicii statistice, iar Ludwig Boltzmann a propus o interpretare statistică a conceptului de entropie. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, fizicienii au ajuns la o descoperire semnificativă - confirmarea experimentală a existenței atomului. În acest moment, rolul fizicii în societate s-a schimbat, de asemenea, semnificativ. Apariția noilor tehnologii (electricitate, radio, automobile etc.) a necesitat o cantitate mare de cercetări aplicate. Știința a devenit o profesie. General Electric a fost primul care și-a deschis propriile laboratoare de cercetare; aceleași laboratoare au început să apară în alte firme. Schimbare de paradigmăSfârșitul secolului al XIX-lea, începutul secolului al XX-lea a fost momentul în care, sub presiunea noilor date experimentale, fizicienii au trebuit să revizuiască teoriile vechi și să le înlocuiască cu altele noi, uitându-se din ce în ce mai adânc în structura materiei. Experimentul Michelson-Morley a eliminat fundația de sub picioarele electromagnetismului clasic, punând la îndoială existența eterului. Au fost descoperite noi fenomene precum razele X și radioactivitatea. De îndată ce fizicienii au dovedit existența unui atom, au apărut dovezi ale existenței unui electron, experimentele cu efectul fotoelectric și studiul spectrului de radiații termice au dat rezultate care nu au putut fi explicate pe baza principiilor fizicii clasice. În presă, această perioadă a fost numită criza fizicii, dar în același timp a devenit o perioadă de triumf pentru fizică, care a reușit să dezvolte noi teorii revoluționare care nu numai că explicau fenomene de neînțeles, ci și multe altele, deschizând calea către o nouă înțelegere a naturii. Având în vedere problema radiației termice de la un corp negru, Max Planck a propus în 1900 ideea incredibilă că undele electromagnetice sunt emise în porțiuni, a căror energie este proporțională cu frecvența. Aceste porțiuni au fost numite quanta, iar ideea în sine a început construcția unei noi teorii fizice - mecanica cuantică, care a schimbat în continuare mecanica clasică newtoniană, de data aceasta la o dimensiune foarte mică a sistemului fizic. În același 1905, Albert Einstein a aplicat ideea lui Planck pentru a explica cu succes experimentele cu efectul fotoelectric, sugerând că undele electromagnetice nu sunt doar emise, ci și absorbite de cuante. Teoria corpusculară a luminii, care părea să fi suferit o înfrângere zdrobitoare în lupta împotriva teoriei undelor, a câștigat din nou sprijin. Disputa dintre teoria particulelor și a undelor și-a găsit soluția în dualismul particule-unde, o ipoteză formulată de Louis de Broglie. Conform acestei ipoteze, nu numai o cuantă de lumină, ci orice altă particulă prezintă simultan proprietăți inerente atât corpusculilor, cât și undelor. Ipoteza lui Louis de Broglie a fost confirmată în experimente cu difracția electronilor. În 1911, Ernest Rutherford a propus o teorie planetară a atomului, iar în 1913, Niels Bohr a construit un model al atomului, în care a postulat natura cuantică a mișcării electronilor. Datorită lucrărilor lui Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, Paul Dirac și mulți alții, mecanica cuantică și-a găsit formularea matematică exactă, confirmată de numeroase experimente. În 1927, a fost creată Interpretarea de la Copenhaga, care a deschis calea pentru înțelegerea legilor mișcării cuantice la nivel calitativ. Fizica timpului nostruOdată cu descoperirea radioactivității de către Henri Becquerel, a început dezvoltarea fizicii nucleare, ceea ce a dus la apariția de noi surse de energie: energia atomică și energia de fuziune nucleară. Noi particule descoperite în timpul studiului reacțiilor nucleare: neutron, proton, neutrino, au dat naștere fizicii particulelor elementare. Aceste noi descoperiri la nivel subatomic s-au dovedit a fi foarte importante pentru fizică la nivelul Universului și au permis formularea teoriei evoluției sale - teoria Big Bang. A existat o diviziune finală a muncii între fizicienii teoretici și fizicienii experimentali. Enrico Fermi a fost probabil ultimul fizician remarcabil care a avut succes atât în \u200b\u200bteorie, cât și în lucrări experimentale. Vârful fizicii s-a mutat în domeniul legilor fundamentale, cu scopul de a crea o teorie care să explice universul prin unificarea teoriilor interacțiunilor fundamentale. Pe această cale, fizica a primit succese parțiale sub forma teoriei interacțiunii electrodebole și a teoriei quarkurilor, generalizată în așa-numitul model standard. Cu toate acestea, teoria cuantică a gravitației nu a fost încă construită. Unele speranțe sunt bazate pe teoria corzilor. Începând cu crearea mecanicii cuantice, fizica în stare solidă s-a dezvoltat rapid, ale cărei descoperiri au dus la apariția și dezvoltarea electronicii și, odată cu aceasta, informatica, care au făcut schimbări fundamentale în cultura societății umane. Fizică teoretică și experimentală
Fizica microscopicăFizica microscopică explorează „microcosmosul”, unde dimensiunile corpurilor sunt de multe ori dimensiuni mai mici uman.
|