Фізика - наука про природу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Фізика - наука про природу

З незапям'ятних часів люди систематично спостерігали за явищами природи, намагалися примічати послідовність явищ, які відбувалися, і навчалися передбачати хід багатьох подій у природі, наприклад зміну пір року, час розлиття річок і багато іншого. Ці знання вони використовували для визначення часу сівби та збирання врожаю тощо. Поступово люди впевнилися в тому, що вивчення явищ природи приносить їм неоціненну користь, дає змогу поліпшувати свій побут і запобігати шкідливим наслідкам стихійного лиха.

Тоді появилися вчені, які все своє життя присвячували вивченню явищ природи, узагальнювали досвід попередніх поколінь. Вони записували результати спостережень і дослідів, передавали свої знання учням. Спочатку вченими були жерці, які за допомогою своїх знань тримали народ у покорі. Тому записи вчені часто робили в зашифрованому вигляді, а учнів ретельно відбирали, оскільки вони повинні були зберігати свої знання в таємниці.

Перші книги про явища природи, які стали надбанням народу, з'явилися, очевидно, у Стародавній Греції. Це сприяло швидкому розвитку науки в цій країні і появі багатьох видатних учених.

Грецьке слово «фюзіс» у перекладі означає «природа», тому науку про природу почали називати фізикою. Починаючи з 17 століття фізика швидко розвивається. З неї поступово виділяються науки про природу, наприклад хімія. Всі науки, які вивчають явища природи, стали називати природничими науками.

Багаторічне вивчення явищ природи привело вчених до ідеї про матеріальність навколишнього світу. Матерія є об'єктивна реальність, яка існує поза нашою свідомістю і дана нам у відчутті. Отже, все, що реально існує в природі (а не в нашому уявленні), матеріальне. Таким чином, в основі нашого уявлення про природу лежить матеріалістичний світогляд.

Матерія існує не лише у формі речовини. Наприклад, радіохвилі і світло не можна назвати речовиною. Це особлива форма матерії, яка називається електромагнітним полем.

Вивчення навколишнього світу показало, що матерія постійно рухається. Будь-яка зміна, що відбувається в природі, є рухом матерії. Нагромаджений століттями досвід упевнив учених, що матерія може видозмінюватися, але ніколи не виникає і не зникає. Рух матерії також може змінювати форму, але сам рух матерії не створюється і не знищується. Інакше кажучи, навколишній світ є матерія, яка вічно рухається і розвивається. Загальною мірою руху матерії в усіх її формах є енергія, а незнищуваність руху матерії виражається в науці законом збереження енергії.

Найзагальніші форми руху матерії називаються фізичними. До них належать: механічна, теплова, електромагнітна, внутрішньоатомна, внутрішньоядерна форми руху матерії. Сучасна фізика вивчає різні форми руху матерії, їх взаємні перетворення, а також властивості речовини і поля.

2. Фізика і техніка

Швидкий прогрес у вивченні природи, відкриття нових явищ і законів природи дали можливість людям широко використати все це для розвитку продуктивних сил суспільства. Починаючи з кінця 18 століття одночасно з розвитком фізики бурхливо розвивається техніка. Такий взаємний зв'язок між розвитком фізики і техніки можна простежити протягом всієї історії нового часу.

У другій половині 18 століття і першій половині 19 століття будують і вдосконалюють парові машини. Одночасно поглиблено вивчають теплові процеси, з фізики виділяється нова наука - термодинаміка. Широке використання теплових машин на виробництві і транспорті дало привід називати цей період часу «віком пари».

У кінці 19 і на початку 20 століть винаходять і вдосконалюють електричні машини, одночасно здійснюється безліч нових відкриттів у галузі електрики, із фізики виділяються електротехніка, радіотехніка та інші науки. Завдяки широкому використанню електричної енергії цей час почали називати «віком електрики».

Починаючи з другої половини 20 століття і до наших часів бурхливо вивчаються властивості атомів і атомних ядер. За цей час люди навчилися добувати ядерну енергію і широко застосовувати її в техніці. Першу в світі атомну електростанцію було побудовано в СРСР, вона почала працювати в 1954 р. Давно вже плавають підводні човни і кораблі, які використовують ядерну енергію, будується багато нових атомних електростанцій на всій земній кулі. Тому цей час називають «атомним віком».

Одночасно з розвитком атомної енергетики відбувається швидке освоєння космосу. Перший штучний супутник Землі було запущено в СРСР в 1957 році, а в 1970 році космонавти вже були на Місяці. Кінець 20 століття є початком космічної ери.

Плазма - це газоподібний стан речовини, за якого значна частина атомів йонізовані, тобто розпалися на позитивно заряджені йони та електрони. Дослідження плазми почалися ще в 19 столітті, коли розвиток вакуумної техніки дав змогу фізикам виготовити перші газорозрядні трубки. Дослідження газового розряду - а це один з видів плазми - привели до відкриття рентгенівських променів і електрона, створення нових джерел світла та апаратів з плазмової обробки поверхонь. Опанування плазми дозволить людині отримати нові джерела енергії, двигуни для космічних апаратів. В Україні є декілька наукових центрів, у яких ведуться роботи з дослідження плазми. Передусім це Інститут фізики плазми (м. Харків), Інститут фізики (м. Київ).

Сучасну фізику недаремно називають фізикою твердого тіла. Успіхи фізики 19 і 20 століть створили умови для бурхливого розвитку всіх напрямів фізики твердого тіла: фізики кристалів, теорії металів, фізики напівпровідників.

3. Поняття про величину і вимірювання. Фізичні величини

Науки про природу, зокрема фізика, розвиваються так. За допомогою експериментів(дослідів) нагромаджується великий фактичний матеріал про певну групу явищ природи. На основі цього матеріалу створюється гіпотеза (наукове припущення), яка з єдиної точки зору пояснює хід цих явищ. Справедливість гіпотези перевіряється новими експериментами. Якщо правильність гіпотези підтверджується, то на її основі створюється теорія, яка повинна задовільно пояснювати явища, що відбуваються, не тільки з якісного, а й з кількісного боку, а також передбачати нові явища.

Це означає, що розрахунки значень величини за допомогою формул, виведених з теорії, повинні збігатися з результатами вимірювань цих самих значень під час експериментів. Отже, експерименти практично завжди мають супроводитись вимірюванням тих чи інших величин.

Усе те, що може бути визначено кількісно, називають величиною. Так, довжина дротини, кількість цвяхів у коробці, швидкість руху човна є прикладами різних величин. Порівнювати значення різних величин не можна. Справді, не можна дати відповідь на запитання, що більше - довжина дротини чи швидкість руху човна. А ось порівняти довжину дротини з довжиною стола можна. Якщо таким порівнянням ми встановили, що довжина дротини в п'ять разів більша за довжину стола, то довжина стола є одиницею вимірювання, оскільки з нею порівнювали довжину дротини.

Порівняння значень якої-небудь величини називається вимірюванням. Щоб результат вимірювання деякої величини розуміли всі, треба цю величину порівняти з тією самою одиницею вимірювання (наприклад, довжину предмета порівнюють з метром). Значення величини, з яким порівнюють усі інші значення цієї самої величини, називається її одиницею вимірювання. Так, метр є загальновживаною одиницею вимірювання довжини.

Для кожної величини повинна бути встановлена своя одиниця вимірювання. Число, що показує, скільки разів у вимірюваній величині міститься одиниця вимірювання, називають числовим значенням цієї величини. Результат вимірювання визначають іменованим числом, тобто, крім числового значення величини, називають найменування одиниці вимірювання. Наприклад, якщо внаслідок вимірювання довжини тканини дістали 5,2 м, то цей результат є числовим значенням довжини в наведеному прикладі.

Ті величини, які характеризують фізичні властивості матерії або характерні особливості фізичних явищ природи, називаються фізичними величинами.

Прикладами фізичних величин є довжина, час, швидкість, прискорення тощо.

Числові значення фізичних величин завжди треба писати з найменуванням одиниці вимірювання, наприклад, 2,3 метра, 5 секунд.

4. Прямі і непрямі вимірювання

Спочатку в кожній країні користувалися своїми одиницями вимірювання, але потім на пропозицію французьких учених було створено метричну систему мір, яку тепер застосовують на всій земній кулі.

Під час створення цієї системи було встановлено одиниці вимірювання: довжини - метр, маси - кілограм, часу - секунда. Тоді ж було виготовлено зразки метра і кілограма з сплаву платини з іридієм.

Зразок одиниці вимірювання, який за міжнародною угодою вважається єдиним справжнім зразком, називається еталоном цієї одиниці. Еталони метра і кілограма зберігаються в Міжнародному бюро мір і ваги у Франції. Окремі країни одержали копії міжнародних еталонів, які є зразками відповідних одиниць вимірювання в цих країнах.

З'ясуємо тепер, як знаходять числове значення величини під час вимірювання. Довжину куска тканини можна виміряти, приклавши до нього метр, як це роблять у магазинах. Візьмемо прямокутник зі сторонами 12 мм і 10 мм. Площу прямокутника також можна виміряти, вкладаючи всередину нього зразок одиниці вимірювання площі, наприклад 1 мм². Підрахунок показує, що всередині прямокутника міститься 120 квадратів із стороною в 1 мм, тобто площа прямокутника 120 мм².

Вимірювання, при якому значення величини знаходять безпосереднім порівнянням з її одиницею вимірювання, називають прямим вимірюванням. Наведені вище приклади є прямими вимірюваннями довжини та площі. Проте пряме вимірювання далеко не завжди дає досить точний результат, крім того, воно не завжди здійсненне і зручне. Візьмемо коло, діаметром 7 мм. Потрібно знайти довжину цього кола . Зручніше виміряти не саме коло, а його діаметр і обчислити довжину кола за формулою або .

Якщо треба виміряти площу круга, то незручно підраховувати число квадратних міліметрів всередині кола. Простіше і точніше, вимірявши діаметр, обчислити цю площу за формулами або .

Вимірявши довжину й ширину прямокутника можна знайти його площу за формулою .

Вимірювання, при якому числове значення величини знаходять за формулою обчисленням, називають непрямим вимірюванням. На практиці, частіше доводиться виконувати непрямі вимірювання.

5. Правило виведення одиниць вимірювання з формул. Поняття про систему одиниць

вимірювання фізика матерія науковий

У фізиці є величезна кількість різних величин, кожна з яких має свою одиницю вимірювання. Довільний вибір цих одиниць дуже ускладнює розрахунки, оскільки у формулах, які визначають зв'язок між різними фізичними величинами, з'являються числові коефіцієнти, що залежать тільки від вибору одиниць вимірювання.

Таким чином, довільно вибираючи одиниці вимірювання, всі фізичні формули треба писати з деякими коефіцієнтами пропорційності k. Наприклад, формулу другого закону Ньютона треба писати у вигляді , а формулу для роботи сили на відрізку шляху у вигляді .

Проте в більшості формул цих коефіцієнтів можна позбутися, тобто зробити їх такими, що дорівнюють одиниці, коли ввести довільні одиниці лише для деяких фізичних величин, узятих за основні, а для решти фізичних величин одиниці виводити з формул. Так, у механіці можна взяти за основні величини довжину, масу, час і для них брати одиниці вимірювання (наприклад, метр, кілограм, секунда), а одиниці решти механічних величин вивести з формул. Виведемо, наприклад, одиниці сили і роботи.

У формулі другого закону Ньютона коефіцієнт дорівнюватиме одиниці, якщо при масі, що дорівнює одиниці, і прискоренні, що дорівнює одиниці, сила також дорівнюватиме одиниці. Маючи одиниці маси і прискорення, можна обрати одиницю сили так, щоб ця умова виконувалась. Тоді формулу другого закону Ньютона можна записати без :

.

Візьмемо тепер потрібну нам одиницю сили. Для цього підставимо на місце і одиниці їх із скороченими найменуваннями і виконаємо алгебраїчні дії як над числами, так і над найменуваннями:

.

Домовимось вважати цей результат одиницею сили і назвемо її ньютоном, а вираз назвемо розмірністю ньютона. Знайдений результат словами можна сформулювати так: ньютоном(Н) називається така сила, яка масі в 1 кг надає прискорення в 1 м/с². Отже, .

Аналогічно для одиниці роботи дістанемо: .

(Джоуль).

Якщо величина, для якої шукають одиницю вимірювання, не виражена в явному вигляді, то, розглядаючи формулу як рівняння, треба знайти цю величину в буквеному вигляді, а потім вже підставляти відомі одиниці вимірювання. Наприклад, нехай треба вивести одиницю швидкості з формули . Для цього пишемо .

.

Сформулюємо тепер правило виведення одиниць вимірювання.

Щоб вивести нову одиницю якої-небудь фізичної величини треба:

1. підібрати формулу, яка містить цю величину і в якій одиниці всіх інших величин відомі.

2. алгебраїчно знайти з формули буквений вираз цієї величини.

3. у знайдений вираз підставити всі відомі одиниці з їхніми розмінностями.

4. виконати всі необхідні алгебраїчні дії як над числами, так і над розмінностями.

5. взяти знайдений результат за шукану одиницю і дати їй назву.

Для прикладу виведемо тепер одиницю потужності:

1. Підбираємо формулу:

.

2. Знаходимо з цієї формули N:

.

3. Підставляємо одиниці роботи і часу:

.

4. Виконаємо дії:

.

5. Беремо цей результат за одиницю потужності і даємо їй назву ват(Вт); розмірність вата:

.

Ті одиниці, які встановлюються довільно, наприклад, за міжнародною угодою, називають основними, а ті, що виводять з формул, - похідними (від основних). Сукупність основних одиниць з виведеними з них похідними називається системою одиниць.

З'ясовано, що для створення системи механічних одиниць доцільно встановити три основні одиниці, а решту виводити з формул. У наведених вище прикладах основними одиницями були: одиниця довжини - 1 метр, одиниця маси - 1 кг, одиниця часу - 1 с. Тут метр, кілограм і секунда називаються розмінностями основних одиниць вимірювання. Результат дії над цими розмінностями, який показує, як похідну одиницю знайдено з основних, називається розмірністю похідної одиниці вимірювання.

6. Міжнародна система одиниць(СІ)

Нині в розрахунках слід користуватися переважно Міжнародною системою одиниць, скорочено СІ (система інтернаціональна). Ця система побудована на семи основних одиницях:

1. одиниця довжини - 1 метр(м).

2. одиниця маси - 1кілограм(кг).

3. одиниця часу - 1 секунда(с).

4. одиниця температури - 1 кельвін(К).

5. одиниця сили струму - 1 ампер(А).

6. одиниця сили світла - 1 кандела(кд).

7. одиниця кількості речовини - 1 моль(моль).

Метр - це відстань між двома штрихами на міжнародному еталоні метра. При його виготовлені передбачалось, що метр повинен становити 1/10 000 000 частину чверті меридіана, який проходить через Париж.

Кілограм - це маса міжнародного еталону. При виготовлені цього еталону передбачалося, що його маса повинна дорівнювати масі 1 дм³ чистої води при 4С.

Секунду можна уявити собі як 1/86400 частку сонячної доби.

Размещено на Allbest.ru