Что изучает физика

Физика изучает мир, в котором мы живем, явления, в нем происходящие, открывает законы, которым подчиняются все эти явления, устанавливает их взаимосвязи.

 Возникновение физики. По словам французского писателя Жозефа Эрнеста Ренана (1823–1829), «каждый школьник знаком теперь с истинами, за которые Архимед отдал бы жизнь». За последние 400 лет человеческая цивилизация прошла путь познания, неимоверно больший, чем за всю свою предшествующую историю. За эти годы люди освоили географию и недра Земли, покорили океан. Человек создал устройства, позволившие ему летать и передвигаться по земле с огромной скоростью, общаться с жителями других континентов, не выходя из собственного жилища, и видеть происходящее в иных краях. Он освоил источники энергии, решил проблемы обеспечения пищи, научился предотвращать эпидемии самых страшных болезней. Эти достижения – плоды научного подхода к познанию природы. Научный дух зародился в Древней Греции. На смену мифам пришли философские представления о материи, пространстве и времени. Стало возможным от наблюдений перейти к размышлениям об устройстве мира, причинах и первоосновах происходящего на Земле.

Наиболее известен Клавдий Птолемей (рис.1).

Рис.1. Птолемей

Он построил модель Вселенной с Землей в центре и предложил законы движения всех небесных тел.

Рис.2. Траектория Луны
а) относительно Земли (геоцентрическая система отсчета)
б) относительно Солнца (гелиоцентрическая система отсчета)

  Геоцентрическая модель Птолемея (рис. 2,а) признавалась наукой более тысячи лет. Ее сменила гелиоцентрическая модель Коперника с Солнцем в центре (рис.2,б).

Все планеты, согласно этой модели, включая Землю, вращаются вокруг Солнца (см. Приложение 1). И лишь спустя много лет после смерти Коперника астрономы доказали его правоту. Первые физические эксперименты и теоретическое объяснение движения тел поставил и предложил итальянский ученый Галилео Галилей (рис.3), который и считается ученым, положившим начало физике, как науке.

Рис.3. Галилео Галилей

  Важнейшие физические открытия не только продвигали вперед науку: переворачивая мировоззрение
 людей, они не разменяли судьбы мира. 
Система Коперника и теория относительности сформировали облик современного человечества в не меньшей мере, чем войны и революции.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ТЕЛА

Среди огромного разнообразия явлений физические явления в природе занимают особое место. К ним относятся:

• Механические явления (например, движения спутников , машин, самолетов, небесных тел, течение жидкостей, качание маятников);
• Электрические явления (например, электризация тел (рис.4), нагревание проводников с током, электрический ток);

Рис.4. Электризация трением

•   Магнитные явления (например, влияние магнитного поля Земли на стрелку компаса,
• влияние поля в приборах, действие магнитного поля для определения массы частиц – масс-спектрографов);
• Тепловые явления (таяние льда, тепловое расширение тел) (рис.5);

Рис.5. Кипение жидкости

• Атомные явления (распад ядер, процессы, происходящие внутри звезд, работа атомных реакторов;
• Оптические явления (отражение света от зеркал, излучение световых лучей от естественных и искусственных источников света, распространение света, отражение света от зеркал) – зеркальный телескоп;
• Акустические явления.

В природе существуют и другие явления – нефизические. Всем хорошо известны биологические явления (развитие растительного и животного мира), геологические (изменения в земной коре, землетрясения), химические (окисление металла, образование хлорофилла в листьях). Каждая из наук использует свои специальные слова – научные термины. Физик, говоря о движении тел (самолета, мяча, планеты), обычно не считается с тем, что именно движется, т.к. для изучения механического движения это несущественно во многих задачах. В этом случае говорят о физическом теле, подразумевая любой предмет. Следует сказать, что все объекты, в том числе тело, являются материей. Все то, что нас окружает материально.
 Материя – это все то, что существует во Вселенной, независимо от нашего сознания. Материя в нашем мире существует в виде вещества и поля. Любой материальный предмет (физическое тело) состоит из вещества, мы можем его потрогать, увидеть. Например, стекло – вещество, стеклянный стакан – физическое тело; вода – вещество, а капля воды – физическое тело. Но поле мы не можем ни увидеть, ни потрогать. Мы можем лишь констатировать последствия его действия на нас, будь то тепловое, химическое, магнитное, физиологическое, либо действие электрического поля. Можно зарегистрировать наличие поля прибором, и то не всегда. Есть, например, гравитационное поле, которое мы не ощущаем, но благодаря которому ходим по Земле и не улетаем с нее, хотя она и вращается со скоростью 30 км/с. Измерить его мы пока тоже не в состоянии.
А вот последствия воздействия электромагнитного поля человек может и ощутить, и измерить.

2. СВОЙСТВА ТЕЛ

В окружающем нас материальном мире встречаются самые разные физические тела. Они имеют разные размеры и строение. Например, размеры Солнца, планет, других космических объектов во много раз больше размеров тел, которые окружают нас на Земле (машин, домов, деревьев…). В свою очередь частицы, из которых состоит тело, очень малы по сравнению с размерами самого тела. Так масса Солнца составляет 10³⁰ кг, а атома 10^–20 кг.  Диаметр Солнечной системы 10¹³ м, а радиус протона10^–15 м.

Физика изучает свойства и поведение, как самых маленьких (объектов), так и самых больших. Одни физические законы являются общими для физических тел различных размеров, другие – описывают поведение лишь тел определенных размеров. Поэтому в физике объекты в зависимости от их размеров делят на три группы.
В первую группу входят звездные скопления – Галактики, имеющие огромные размеры и состоящие из колоссального количества звезд и планет. Наша планета, Земля – это огромный шар, состоящий из горных пород и металлов, и покрытый водой и почвой. Земля – одна из десяти планет, которые вращаются вокруг звезды по имени Солнце. Солнце вместе с планетами, вращающимися вокруг него, образуют Солнечную систему. Наша Солнечная система – это всего лишь крошечная частичка от двухсот миллиардов звезд Галактики, которую называют Млечный путь. А во всей Вселенной существуют миллиарды Галактик (рис. 6).

Рис.6. За пределами солнечной системы – Галактики.
Большое Магелланово облако (справа вверху) и  Малое (справа внизу)

Астрономы считают, что когда-нибудь эти галактики сольются с нашей.Эти объекты составляют мегамир (табл.1).

Таблица 1

Материальный мир

Вторая группа объектов составляет макромир. Это все, что нас окружает, все, что можно увидеть невооруженным глазом: звезды, планеты, разнообразные тела на Земле. При этом разные объекты могут иметь размеры, значительно отличающиеся друг от друга. Например, диаметр Луны 3476 км, а длина легкового автомобиля – 4–5 м. Оба эти объекта являются объектами макромира.
Третья группа объектов – микромир. Это частицы, из которых состоит вещество. Их размеры меньше 10^–8 см. Знать, как ведут себя частицы вещества, очень важно для понимания строения и свойств различных тел.
На приведенной ниже таблице 2 показано, что и как изучает физика, в какой форме полученные знания выражаются на языке науки. Ведь очень важно знать, какие вещества проводят электричество, а какие нет; каким веществом надо покрыть фотопленку, чтобы получить изображение, какое вещество лучше использовать для теплоизоляции, а из какого можно изготовить пленку для магнитофона, чтобы записать звуковой сигнал. Ответить на эти вопросы можно, если исследовать соответствующие свойства тел.

Кроме физических явлений физика изучает свойства тел, находящихся  в микро-, макро- и мегамире.

Таблица 2

Что и как изучает физика

 

Кроме этого физика изучает наиболее общие и фундаментальные закономерности, которые определяют структуру и эволюцию материального мира (табл.3).

Таблица 3

Эволюция взгляда на физическую картину мира

Из этой таблицы видно, что основные физические законы, теории и принципы – главное в окружающем нас материальном мире. Остается загадкой появление первых следов существования жизни 3,6 млрд. лет назад на одной планете Солнечной системы, которая оставалась крайне примитивной почти 3 млрд. лет.
И только около 600 млн. лет назад, как бы внезапно, начался бурный расцвет разнообразных живых организмов. На сегодняшний день ученые дали названия примерно 2 миллионам видов растений и животных, однако на нашей Планете их число может насчитывать от 10 до 100 миллионов!
Но почему это произошло, какие условия вызвали взрыв в эволюции жизни на Земле, ученые нашей эпохи пока не могут дать точного ответа. Решение этой проблемы должно стать достоянием ученых, в том числе физиков, будущих поколений.

Литература:

1. Анчевская О.В. Физика в таблицах и схемах – С.П.: Литера, 2005.
2. Волков А. Судрин В. Планеты – М.: Слово, 2001.
3. Волков В.А. 10 кл: математические и поурочные разработки. – М.: ВАКО, 2006.
4. Горлова Л.А. Нетрадиционные уроки 7–11 кл. – М.: Вако, 2006.
5. Громов С.В., Родина Н.А. Физика. 8 кл. Учебник для общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2006.
6. Дайджит Р. Атлас. Вселенной. – И.: Д, 2001.
7. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе. Ч.1. Механика, молекулярная физика, основы электродинамики /под ред. А.А.Покровского. – 3-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1978.
8. Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе: пособие для учителей/ В.А.Буров, Б.С.Зворыгин, А.П.Кузьмин и др.; под ред А.А.Покровского. – 3-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1979.