ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОГРАММЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА ФИЗИКИ.
ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ ПО ФИЗИКЕ
СЕВАСТОПОЛЬ
2020
План лекции
1. Предмет физики и методы исследования физических явлений.
2. Развитие физики и техники.
3. Общая характеристика программы и методические указания по изучению курса физики.
ПРЕДМЕТ ФИЗИКИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ.
Предмет физики, как и всякой науки, раскрывается в ее детальном содержании. Дать точное определение предмета физики тем более трудно, что практически почти невозможно наметить границы раздела между физикой и другими естественными науками.
Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения. Понятие физики и ее законы лежат в основе всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений.
Слово ”физика” происходит от греческого physis - природа. В эпоху античной культуры наука охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях. По мере дифференцирования знаний и методов исследования из нее выделялись отдельные науки, в том числе и физика. Границы, отделяющие физику от других естественных наук, в значительной мере условны и меняются с течением времени.
Физика – экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Законы физики представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке. Различают экспериментальную физику – опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и проверки чувственных физических законов и теоретическую физику, цель которой состоит в формулировке законов природы и объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория в равной мере необходимы и взаимосвязаны.
|
|
|
В соответствии с многообразием исследуемых объектов и форм движения материи физика подразделяется на ряд дисциплин (разделов) в той или в иной степени связанных друг с другом. Это деление не однозначно, его можно проводить, руководствуясь различными критериями. По изучаемым объектам физика делится на физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей, физику твердого тела, физику плазмы. Другой критерий – изучаемые процессы или формы движения материи. Соответственно в физике выделяют: механику материальной точки и твердого тела, механику сплошных сред (включая акустику), термодинамику и статическую механику, электродинамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую механику и квантовую теорию поля. Указанные разделы физики частично перекрываются вследствие глубокой внутренней взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в которых они участвуют.
|
|
|
По целям исследования выделяют также прикладную физику (например, прикладная ядерная физика).
Особо выделяют в физике учение о колебаниях и волнах, что обусловлено общностью закономерностей колебательных процессов различной физической природы и методов их исследования. Здесь рассматриваются механические, акустические, электрические колебания и оптические колебания и волны с единой точки зрения.
Современная физика содержит ряд фундаментальных физических теорий, охватывающих все разделы физики. Эти теории представляют собой квинтэссенцию знаний о характере физических процессов и явлений, наиболее полно отображающие различные формы движения материи.
Философское определение материи.
Дано В. И. Лениным в его книге “Материализм и эмпириокритицизм ”. “Материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущение, материя есть объективная реальность, данная нам в ощущениях…“ Исходя из естественно - научных представлений о строении и свойствах, до настоящего времени различали два вида материи: вещество и поле.
|
|
|
Вещество (в твердом, жидком, газообразном и плазменном состояниях) – это тела из атомов и молекул, которые обладают массой, размерами, формой и энергией и могут двигаться с различными скоростями (но меньше скорости света в вакууме).
Поле – это такая форма материи, посредством которой осуществляются любые взаимодействия между телами в природе (электромагнитные, гравитационные, ядерные.)
Поле и вещество обладают массой и энергией. В настоящее время благодаря успехам квантовой механики разделение материи на вещество, имеющее прерывистое (дискретное) строение и поле, обладающее непрерывным строением, потеряло абсолютный смысл. Каждому полю соответствуют кванты или микрочастицы этого поля: электромагнитному полю – фотоны, ядерному – мезоны, слабому – нейтрино. В свою очередь все движущиеся частицы обладают волновыми свойствами.
Т.о, по современным воззрениям общими структурными составляющими и вещества и поля являются микрочастицы, главной особенностью которых является возможность их взаимного превращения. Электрон и позитрон, представляющие собой вещество, могут превратиться в фотоны, т.е. электромагнитное поле. Возможен и обратный процесс.
|
|
|
Следовательно, сейчас можно дать физическое толкование материи, как совокупности микрочастиц, способных двигаться с различными скоростями и обладающих способностью к взаимному превращению и волновым процессам.
Материя находится в непрерывном движении, под которым подразумевается всякое изменение вообще.
В физике рассматривают следующие формы движения и отвечающие им виды энергии: механическую, внутреннюю (молекулярно-тепловую), электромагнитную, внутриатомную, внутриядерную. Хотя каждая из этих форм движения и энергии обладают своими особенностями, однако они никогда не уничтожаются, а переходят одна в другую, от одного тела к другому.
Материю и ее движение нельзя рассматривать вне пространства и времени, т.к. материя существует и движется в пространстве и во времени. Всякое материальное тело имеет пространственную протяженность, а время служит мерой длительности любого процесса.
Поэтому пространство и время представляют собой наиболее общие формы существования материи.
Созданная в начале XIX - XX века теория относительности показала, что материя, пространство и время взаимосвязаны и взаимообусловлены, причем главным объектом мира является материя.
Процесс познания в физике, как и в любой науке, начинается либо с наблюдения явлений в естественных условиях, либо со специально поставленных опытов – экспериментов.
На основе накопленного экспериментального материала строится предварительное научное предположение о механизме и взаимосвязи явлений – создается гипотеза. Это еще не научная теория. Гипотеза требует проверки и доказательства.
Рассмотрим, например, как два великих мыслителя Аристотель (384-322 до н. э.) и Галилей (1564 - 1642 г.г.) истолковали движение на горизонтальной поверхности. Аристотель заметил, что находящееся на земле (или на поверхности стола) тело, получившее начальный толчок всегда замедляется и останавливается. Отсюда Аристотель предположил, что естественным состоянием тела является покой. Галилей, повторивший в начале 1601 г. опыты Аристотеля по изучению горизонтального движения, обратился по существу, к идеализированному случаю движения без сопротивления. В самом деле, Галилей мысленно представил себе, что если бы можно было устранить трение, то тело, получившее начальный толчок на горизонтальной поверхности, продолжало бы двигаться безостановочно в течение неопределенно долгого времени. Галилей сделал вывод о том, что для тела состояние движения столь же естественно, как и состояние покоя. Ему удалось увидеть в тех же “фактах” нечто новое, и именно поэтому принято считать Галилея основоположником современного представления о движении.
Некоторые гипотезы, ряд следствий из которых противоречит опыту, оказываются ошибочными и отбрасываются при дальнейшем развитии науки (например, гипотезы флоттока. эфира и т.д.). Другие гипотезы, выдерживают проверку на опыте и правильно предсказывающие ряд новых, ранее неизвестных явлений, входят в науку в качестве физических теорий. Правильная физическая теория дает качественное и количественное объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения – вскрывает механизм этих явлений и формирует их закономерность.
Однако любая физическая теория относится лишь к вполне определенной физической модели явления и поэтому она имеет и вполне определенные границы применимости. Ни одна из физических теорий не может быть всеобщей.
С течением времени обнаруживаются новые области явлений и накапливаются факты, объяснение которых не укладывается в рамки существующих теорий и требует выдвижения новых гипотез. Возникает новая теория, совершенствуется и уточняется наше сознание материального мира.
Пример: классическая механика Галилея – Ньютона правильно описывает движение со скоростями много меньше скорости света в вакууме. Для больших скоростей классическая механика дает выводы, не совпадающие с экспериментом.
Теория потребовала уточнения. А. Эйнштейном была сформулирована теория относительности, изучающая законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света.
Для описания движения микроскопических тел (отдельные атомы и элементарные частицы) законы классической механики также неприменимы – они изучаются квантовой механикой.
Но развитие науки не перечеркнуло ньютоновскую механику, а только установило пределы, в которых она справедлива ( при скоростях движения значительно меньше скорости света в вакууме). Ньютоновская механика вошла как составная часть в общее здание физической науки.
Т.о, новая теория не всегда отрицает историю, но чаще всего включает ее в себя как часть, т.е. является более широкой и всеохватывающей. Иными словами, развитие науки идет по непрерывно восходящей спирали, а человек все более и более глубоко проникает в сущность окружающего нас материального мира.
По мере накопления знаний о мире задача их систематизации становилась все более актуальной. Эта задача была выполнена одним из величайших мыслителей древности, учеником Платона – Аристотелем (384 – 322 до н.э.). Аристотель был наставником Александра Македонского, вплоть до его смерти. Аристотелем было написано много работ. В одной из них – «Физике», он рассматривает вопросы о материи и движении, о пространстве и времени, о конечном и бесконечном, о существующих причинах.
В своей другой работе – «О небе» он привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка (как считали в то время), а круглый шар.
Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара.
Во-вторых, из опыта своих путешествий греки знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. Полярная звезда на Северном полюсе находится прямо над головой наблюдателя. Человеку же на экваторе кажется, что она располагается на линии горизонта. Зная разницу в кажущемся расположении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел вычислить длину экватора! Правда эта длина получилась несколько больше (примерно в два раза), но все равно в те времена это было крупное научное открытие.
2. РАЗВИТИЕ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ.
Физические явления издавна привлекали внимание людей. В VI веке до н.э. впервые зародилась идея об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыт закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (Законы Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.
Развитие физики как науки в современном смысле этого слова началось в XVII веке и связано в первую очередь с именем итальянского ученого Галилея, который понял необходимость математического описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в теории Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение - первая формулировка закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике, доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновал теорию Коперника и получил значительные результаты в астрономии, в изучении оптических, тепловых и других явлений. Ученик Галилея итальянский ученый Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Английский ученый Р. Бойль и французский Э. Мариотт исследовали упругость газов, и сформулировали первый газовый закон, носящий их имена. Голландский ученый В. Скелль и французский ученый Р. Декарт открыли закон преломления света, в результате чего был создан микроскоп. В 1600 году английский ученый У.Гильберт разграничил электрические и магнитные поля и доказал, что Земля – гигантский магнит.
Основное достижение физики XVII века – создание классической механики: И. Ньютон в труде “Математические начала натуральной философии” (1661 г.) сформулировал все основные законы науки (см. Ньютона законы механики). С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы. Фундаментальное значение имело введение Ньютоном понятия состояния, которое стало одним из основных для всех физических теорий. Состояние системы тел в механике полностью определяются координатами и импульсами тел системы. Если известны силы взаимодействия тел, а также значение координат и импульсов в начальный момент времени, то из уравнения движения (второй закон Ньютона) можно однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени.
Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, с помощью которого удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет, объяснить приливы и отливы в океане. Им были впервые четко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве, как вместилище материи, не зависящем от ее свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени.
Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели изменений.
В это же время голландский ученый Х. Гюйгенс и немецкий ученый Г. Лейбниц сформулировали закон сохранения количества движения. Гюйгенс создал теорию физического маятника, построил часы с маятником. Началось развитие физической акустики.
Со второй половины XVII века быстро развивается геометрическая оптика применительно к конструированию телескопов и других оптических приборов. Были заложены и основы физической оптики: итальянский физик Ф. Гримальди открыл дифракцию света, а Ньютон провел фундаментальные исследования дисперсии света. В 1676 г. датский астроном О. Ремер впервые измерил скорость света. Почти одновременно возникли и начали развиваться корпускулярная и волновая теории света.
В работах Л. Эйлера и других ученых была разработана динамика абсолютно твердого тела. Параллельно с развитием механики частиц и твердого тела шло развитие механики жидкости и газа. Трудами швейцарского ученого Д. Бернулли, Эйлера, французского ученого Ж. Лагранжа и других в 1-й половине XVIII в. были заложены основы гидродинамики идеальной жидкости. В “Атлантической механике” (1788 г.) Лагранжа представлены в столь обобщенной форме, что в дальнейшем их удалось применить и к механическим, в частности электромагнитным процессам. Была создана единая механическая картина мира, согласно которой все богатство и разнообразие мира - результат различия движения частиц (атомов), слагающих тела, движения подчиняющегося законам Ньютона. Объяснение физического явления считалось научным и полным, если его удавалось свести к действию законов механики.
В других областях физики происходило накопление опытных данных, и формулировались простейшие экспериментальные законы. Французский физик Ш.Ф. Дюфе открыл существование двух родов электричества и установил характер их взаимодействия. Американский ученый Б. Франклин установил закон сохранения электрического заряда. Английский ученый Г. Кавендиш и независимо французский ученый Ш. Кулон открыли основной закон электростатики, определяющий силу взаимодействия неподвижных электрических зарядов (закон Кулона). Трудами французского ученого П. Бугера и немецкого ученого И. Ламберти начала создаваться фотометрия. Было открыто инфракрасное излучение (английские ученые В. Гершель и У. Волластон) и ультрафиолетовое (нем. ученый И. Риттер, Воллантон) излучение.
Заметный прогресс произошел в исследовании тепловых явлений: было сформулировано понятие теплоемкости, начато изучение теплопроводности и теплового излучения. Трудами М.Ломоносова, Бойля, английского физика Р.Гука, Бернулли и других были изложены основы молекулярно-кинетической теории теплоты.
В начале XIX века борьба между корпускулярной и волновой теориями света завершилось победой волновой теории. Этому способствовало успешное объяснение английским ученым Г. Юнгом и французским ученым О.Ж. Френелем явления интерференции и дифракции света с помощью волновой теории. Было получено решающее доказательство поперечности световых волн. Рассматривая свет как поперечные волны в упругой среде (эфире), Френель установил количественный закон, определяющий интенсивность преломленных световых волн.
Большое значение для развития физики имело открытия итальянским ученым П. Гальвани и П. Вольтой электрического тока и создание гальванических батарей. Было исследовано химическое действие тока (англ. ученые Г. Деви, М. Фарадей) получена электрическая дуга (В.В. Петров). Открытие датским физиком Х.К. Эрстедом (1820 г.) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электрическими и магнитными явлениями. В том же году французский физик А.М.Ампер пришел к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами - электрическим током и экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов. В 1831 г. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. Ранее Фарадей высказал гипотезу, согласно которой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агентоэлектромагнитного поля. Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи - электромагнитного поля.
В первой половине XIX века были накоплены фактические данные о микроскопических свойствах твердых тел и установлены эмпирические законы поведения твердого тела под влиянием механических сил, температуры, электрических и магнитных полей, света и др., закон электропроводности металлов, закон Ома, закон теплоемкостей (закон Дюлонга и Пти). Были открыты основные магнитные свойства твердых тел, построена общая теория упругих свойств твердых тел (фр. ученые Л.М. Навье, О.Л. Коши).
Важнейшее значение для физики и всего естествознания имело открытие (нем. ученый Ю.Р.Майер, Г.Гельмгольц, англ. физик Дж. Джоуль) закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В середине XIX века опытным путем была доказана эквивалентность количества теплоты и работы и таким образом установлено, что теплота представляет особую форму энергии. Закон сохранения энергии стал основным законом теории тепловых явлений (термодинамики) и получил название первого начала термодинамики. Фундаментальный закон теории теплоты - второе начало термодинамики - был сформулирован немецким физиком Р. Клаузиусом в 1850 г. (на основе результатов, полученных фр. ученым С. Карно в 1824 г.) и английским физиком У. Томпсоном в 1851 г. Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических превращений. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования фр. ученого Ж.П. Гей-Люссака, на основе которых фр. физиком Б.Клапейроном было установлено уравнение состояния идеального газа, обобщенное в дальнейшем Д.И. Менделеевым.
Одновременно с развитием термодинамики развивалась и молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов; были открыты физические законы нового типа – статические, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер. В 1859 г. английский физик Дж. Максвелл, впервые ввел в физику понятие вероятности, нашел закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Возможности молекулярно- кинетической теории необычайно расширились, что привело в дальнейшем к созданию статистической механики. Австрийский физик П. Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую удалось решить Больцману, заключается в согласовании обратимого во времени движения молекул с очевидной необходимостью микроскопических процессов. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней кинетической энергии по степеням свободы. Классическая статистическая механика была завершена в работах американского физика Дж. У. Гиббса (1902 г.), создавшего метод расчета функций распределения для любых систем в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 веке после создания А. Эйнштейном и польским ученым физиком М. Смолуховским (1905 - 1906 г.г.) на основе молекулярно-кинетической теории, количественной теории броуновского движения, подтвержденной опытами французского физика Ж.Б. Перрена.
Во второй половине XIX в. процесс изучения электромагнитных явлений завершился созданием Максвеллом классической электродинамики. В своей основной работе “Трактат об электричестве и магнетизме” (1873) он установил уравнение для электромагнитного поля (носящего его имя), которые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал, как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Затем он предсказал обратный эффект – порождение магнитного поля переменным электрическим полем (ток смещения). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости и значении распространения электромагнитных взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн немецким физиком Г. Герцем (1886 - 1899 г.г.) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В 1899 г. П.И. Лебедев экспериментально обнаружил и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла. В 1895 г. А.С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи. В 1859 г. трудами немецких ученых Г. Кирхгофа и Р. Бунзена заложены основы спектрального анализа. Продолжалось развитие механики сплошных сред. В акустике была разработана теория упругих колебаний и волн (Гельмгольц, английский физик Ремер). Возникла техника получения низких температур. Были получены в жидком состоянии все газы, кроме гелия. В 1908 году голландскому физику Х. Камерлинг - Оннесу удалось сжижить и гелий.
Новый этап в развитии физики связан с открытием английским физиком Дж. Томсоном в 1897 году электрона. Выяснилось, что атомы не элементарны, а представляют собой сложные системы, в состав которых входят электроны. В конце XIX - начале XX в.в., голландский физик Х.Ф. Лоренц заложил основы электронной теории. Им были сформулированы уравнения, описывающие элементарные электромагнитные процессы, которые связывают движение отдельных заряженных частиц с создаваемым ими электромагнитным полем. Электронная теория Лоренца дала возможность рассчитать значения электромагнитных характеристик вещества в зависимости от частоты, температуры и т.д..
В начале XX века стало известно, что электродинамика требует коренного пересмотра представлений о пространстве и времени, лежащих в основе классической механики Ньютона. В 1905 году Эйнштейн создал специальную теорию относительности – новое учение о пространстве и времени. Эта теория исторически была подготовлена трудами Лоренца и фр. ученого А. Пуанкаре. Специальная теория относительности показала, что свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде невозможно. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики. В 1916 году Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства - времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.
На рубеже XIX - XX в.в. было положено начало величайшей революции в области физики, связанной с возникновением и развитием квантовой теории. В конце XIX века выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Выход был найден в 1900 году немецким физиком М. Планком, показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, что атом испускает электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квантом действия h = 6,62.10-34 Дж . с, получивший название постоянной Планка.
В 1905 году Эйнштейн развил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии поглощается также только целиком, т.е. ведет себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта, не укладывающийся в рамки классической электродинамики. Т.о, на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведет себя подобно потоку частиц; но одновременно ему присущи и волновые свойства (дифракция, интерференция). Следовательно, несовместимые с точки зрения классической физике волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной степени (дуализм света). “Квантование” излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также изменяется только скачкообразно (датский физик Н. Бор, 1913 г.). К этому времени английский физик Э. Резерфорд исследовал рассеивание a - частиц веществом и на основе результатов эксперимента установил существование атомного ядра и построил планетарную модель атома. Однако, согласно электродинамике такой атом не устойчив: двигаясь по круговым (эллиптическим) орбитам испытывают ускорение, а, следовательно, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, за время 10-8 секунд упасть на ядро. Планетарная модель атома в рамках классической физике приводила к неустойчивости атомов, а их линейчатые спектры оставались необъяснимыми. Для решения этой проблемы Бор постулировал существование в атомах стационарных состояний, находясь в которых элемент не излучает энергию. При переходе из одного состояния в другое он может испускать или поглощать энергию. Дискретность энергии атома была подтверждена экспериментально (опыт Франка – Герца 1913 - 1914 г.г.), Бор построил для атома водорода количественную теорию спектров, согласующуюся с опытом.
Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, окончательно сформировалось в начале XX в. В 1890 - 1891 г.г. Е.С. Федоров заложил основы теории кристаллографии. В 1912 г. немецкий физик М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгено-структурному анализу (Г.В. Вульф и английский физик У.П. Брэгг и У.Г. Брэгг). В 1907 - 1914 г.г. была разработана динамическая теория кристаллических решеток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 г. Эйнштейном на модели кристалла как совокупности квантовых гармонических осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое явление теплоемкости твердых тел при понижении температуры. Динамическая теория кристаллической решетки как совокупности гармонических осцилляторов различных частот была построена голландским физиком П. Дебаем (1912 г.), немецким физиком М. Бором и американским ученым Т. Карманом (1913 г.), австрийским физиком Э. Шредингером (1914 г.) в форме близкой к современной. Новый этап развития физики твердого тела начался после создания квантовой механики.
Созданный Бором первый вариант квантовой теории атома был внутренне противоречивым. Используя для описания движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической механике. Достоверно установленная дискретность действия и ее количественная постоянная Планка – универсальная мировая постоянная, играющая роль естественного масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки механики и электродинамики.
В 20-е годы XX века была создана квантовая или волновая механика – последовательная, логически завершенная нерелятивистская теория движения микрочастиц, которая позволила объяснить многие свойства микроскопических тел и происходящие в них явления. В основу ее легли идея квантования Планка Эйнштейна Бора и выдвинутая в 1923 году французским физиком Луи де Бройлем гипотеза о двойственной корпускулярно - волновой природе любых видов материи. В 1927 г. впервые была обнаружена дифракция электронов (а позднее и других микрочастиц, включая молекулы), экспериментально подтвердившая наличие у них волновых свойств. В 1926 г. Шредингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг и Борн (Германия 1925 г.) построили квантовую механику в другой материалистической форме – так называемую матричную механику. Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой функцией, эволюция которой определяется уравнением Шреденберга. Волновая функция имеет статистический смысл (Борн, 1926 г.): квадрат ее модуля есть плотность вероятности обнаружения частицы в данный момент времени в некоторой области пространства.
В 1925 г. физик Дж. Ю.Уленбек и С.А. Гаутсмит на основе спектроскопических данных открыли существование у электрона собственного момента импульса – спина (а, следовательно, и связанного с ним спинового магнитного момента) Швейцарский физик В. Паули записал уравнение движения нерелятивистского движения электрона во внешнем электромагнитном поле с учетом взаимодействия спинового магнитного момента с магнитным полем. В 1925 году он же сформулировал так называемый принцип запрета (принцип Паули), согласно которому в одном квантовом состоянии не может находиться более одного электрона. Этот принцип объяснил закономерность заполнения электронных оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и таким образом дал теоретическое объяснение периодической системе Д.И. Менделеева.
В 1928 году английский физик П. Дирак получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона (уравнение Дирака), из которого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании этого уравнения Дирак в 1931 году предсказал существование позитрона – первой античастицы, обнаруженной в 1932 году американским физиком К.Д. Андерсеном в космических лучах (антипротон и антинейтрон были открыты экспериментально соответственно в 1955 и 1956 г.г.)
Параллельно с квантовой механикой развивалась квантовая статистика – квантовая теория поведения физических систем, состоящих из огромного числа микрочастиц. В 1924 г. инд. физик Ш. Бозе, применив прицип квантовой статики к фотонам (их спин равен единице), вывел формулу Планка для распределения энергии в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн – формулу распределения энергии для идеального газа молекул (Бозе-Эйнштейна статистика). В 1925 г. Дирак и итальянский физик Э. Ферми показали, что совокупность электронов и др. одинаковых частиц со спином ½, для которых справедлив принцип Паули, подчиняется другим статическим законам (статистика Ферми - Дирака). В 1940 году Паули теоретически установил связь спина со статистикой. Квантовая статистика сыграла важную роль в развитии физики конденсированных сред и в первую очередь физики твердого тела. В 1929 г. И.Е. Тамм предложил рассматривать тепловые колебания атомов кристалла, как совокупность квазичастиц фотонов. Такой подход позволил объяснить, в частности, спад теплоемкости металлов с понижением температуры Т в области низких температур, а так же показал, что основная причина электрического сопротивления металлов - рассеивание электронов на фононах. Позднее были введены другие квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным и физичным для конденсированных сред.
В 1928 г. нем. физик А. Зоммерфельд применил функцию распределения Ферми-Дирака для описания процессов переноса в металлах, что создало основу для дальнейшего развития квантовой теории электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. кинематических явлений твердых тел. В работах Ф. Блоха и Х.А. Бете в Германии и П. Брюллюже во Франции (1928 - 1934 г.г.) была разработана данная теория энергетической структуры кристаллов, которая дала естественное объяснение различию в электрических свойствах металлов и диэлектриков. В 1928 г. Я.И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие; в 1932 - 1933 г.г. фр. физик П. Неель и независимо от него П.Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.
Открытие сверхпроводимости Камерлинг-Онессом (1911 г.) и сверхтекучести П.Л. Капицей (1938 г.) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феномелогическая теория сверхпроводимости Ландау и В.П. Гинзбурга (1950 г.). В 50-х годах были развиты методы расчета в статистической квантовой теории электронных систем, одним из наиболее ярких достижений, которых явилось создание Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером (США) и Н.Н. Богомоловым микроскопической теории сверхпроводимости.
На основе квантовой теории вынужденного излучения, созданной Эйнштейном в 1917 г., в 50-х годах возникла новая область радиофизики квантовая электроника. Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым (и независимо Ч. Таусоном, США) осуществлены генерация и усиление электромагнитных волн с помощью построенного ими мазера. В 60-х годах был создан квантовый генератор света - лазер.
Во второй четверти XX в. происходило дальнейшее преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра и происходящих в нем процессов, а так же с созданием физических элементарных частиц. Открытию Резерфордом атомного ядра предшествовало открытие радиоактивности (А. Беккерель, М. Кюри, фр.). В 1903 г. Резерфорд и Ф. Содди (Великобритания) объяснили радиоактивность как самопроизвольное превращение элементов, сопровождающееся излучением заряженных частиц.
В 1919 г. Резерфорд, продолжая опыты по рассеиванию a - частиц, добился превращения ядер азота в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 г. англ. физиком Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д.Д. Иваненко, Гейзенберг). В 1934 г. французские физики. И П. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.
Создание ускорителей заряженных частиц позволило излучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого типа явилось открытие деления атомного ядра.
В 1939 - 1945 г.г. была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235U. Впервые ядерная энергия в мирных целях была использована в бывшем СССР. В 1954 г. в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). В 1952 г. была осуществлена реакция термоядерного синтеза (термоядерный взрыв). Одновременно с физикой атомного ядра с 30-х годов XX в. начала быстро развиваться физика элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области были связаны с исследованием космических лучей. Были открыты мюоны, мезоны, К - мезоны, гипероны. После создания ускорителей заряженных частиц высоких энергий планомерное изучение элементарных частиц, их свойств и взаимодействий. Было экспериментально доказано существование двух типов нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильных частиц – резонансов. Обнаружено универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц.
В настоящее время особое внимание уделяется развитию теоретических и экспериментальных исследований в области ядерной физики, физики плазмы, твердого тела, низких температур, радиофизики и электроники, элементарных частиц, особенно в области атомной физики и создание научно- технических основ термоядерной энергетики, совершенствование существующих и разрабатываемых новых способов преобразования энергии.
Большое внимание уделяется также созданию и широкому внедрению принципиально новой техники и технологии, новых конструкционных, магнитных, полупроводниковых, сверхпроводящих и других материалов, технически ценных кристаллов.
Осуществление этих грандиозных задач является делом чести ученых и, прежде всего физиков.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОГРАММЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА ФИЗИКИ.
Программа курса физики предусматривает изучение как фундаментальных законов физики, так и ее новых достижений, необходимых для успешного освоения общетехнических и специальных дисциплин.
Курс физики изучается вСев ГУ в 2-х семестрах (1-ом, 2-ом) и включает следующие разделы:
1. Физические основы механики. СТО.
2. Электричество и магнетизм.
3. Молекулярная физика и термодинамика.
4. Колебания и волны.
5. Физика атома и квантовая механика.
6. Физика твердого тела.
На изучение указанных разделов в институте отводится- 234 часа. Из них около половины – на практические и лабораторные занятия.
Во 1-ом семестре изучаются разделы: физические разделы механики, молекулярная физика и термодинамика электромагнетизм.
В 2 ом семестре изучаются разделы: колебания и волны, волновая оптика.
: основы квантовой механики, физика атома, физика твердого тела.
Физические основы механики являются основой при изучении теоретической механики, теории механизмов и машин, деталей машин и механизмов, сопротивления материалов, гидравлики, гидродинамики и газодинамики и др.
Законы электромагнетизма закладывают базу для освоения теоретических основ электротехники, электрооборудования, радиотехнических систем.
Молекулярная физика и термодинамика является основой таких наук, как теория двигателей, теория установок, обогревателей, холодильников.
Раздел колебания и волны является основой радиотехники и волновой оптики, на законах последней основана голография (объемное видение).
Физика атома позволила создать квантовые генераторы излучения (лазеры и мазеры).
В результате изучения физики твердого тела вы сможете вскрыть физические явления, происходящие в проводниках и полупроводниках, а так же понять принципы создания сверхминиатюрных радиоэлектронных элементов, широко используемых в аппаратуре управления, контроля и записи.
Раздел физика атомного ядра и элементарных частиц дает Вам базу для понимания принципов действия ядерного и термоядерного оружия, позволит объяснить сущность работы ядерных энергетических установок и т.п.
Основными видами занятий по физике являются:
__ лекции,
__ практические занятия,
__ лабораторные занятия,
__ РГР,
__ контрольные работы,
__ самостоятельные занятия,
__ консультации.
На лекциях, являющихся одним важнейших из видов учебных занятий будут излагаться основы научных знаний с учетом формирования научного мировоззрения, а также раскрываться наиболее сложные вопросы учебного материала. Конспектирование лекций обязательно для всех, поскольку оно является вашей обязанностью. Чтобы быть готовым к прослушиванию следующих лекций, предыдущий материал должен систематически прорабатываться по конспекту, с привлечением рекомендуемой литературы.
Прослушивание лекций должно быть активным, при повышенном внимании, с записью в конспектах основного материала, излагаемого лектором.
Конспект должен быть кратким и четким, содержащим все основные формулы и рисунки. В случае пропуска лекции по болезни или из-за несения службы, в кратчайшие сроки указанная лекция должна быть восстановлена и проработана по учебным пособиям.
Для лекций необходимо иметь отдельную тетрадь с отведенными в ней полями для занесения сносок на литературу, дополнений, пояснений.
Практические занятия преследуют цель закрепить и углубить теоретические знания, а также приобрести навыки в самостоятельном решении задач, т.е. навыки практического применения теоретических знаний. На практических занятиях Вы научитесь пользоваться справочниками, табличными и вычислительными средствами. Для практических занятий должна быть выделена отдельная тетрадь.
Лабораторные занятия направлены на закрепление теоретических положений, а также дадут Вам возможность освоить методы экспериментального и научного исследования, овладеть навыками научного анализа и обобщения полученных результатов, работы с лабораторным оборудованием, литературой и приборами.
Самостоятельные занятия являются составной частью учебного процесса и используются для самостоятельной проработки учебного материала с привлечением конспектов и рекомендуемой литературы, а также для выполнения всех видов заданий.
Консультация – это одна из форм оказания помощи студентам в самостоятельном изучении курса физики. Консультации проводятся преподавателем, как правило, индивидуально в часы самостоятельных занятий.
Одной из форм изучения отдельных вопросов физики является также участие студентов в работе научного общества студентов при кафедре, которое дает возможность приобрести начальный опыт научно- исследовательской работы и позволяет более глубоко изучить материал курса. На кафедре также проводятся конкурсы на лучшее решение задач по физике.
Контроль успеваемости будет осуществляться как путем опросов на лекциях, практических и лабораторных занятиях, так и путем проверки конспектов лекций и тетрадей по практическим занятиям, выполнения контрольных работ, сдачи дополнительных заданий, отчетов по лабораторным работам, зачетов и экзаменов. По итогам работы в конце каждого месяца Вам будет выставляться аттестационная оценка.
В конце каждого семестра Вы будете сдавать зачеты и экзамены.
В результате изучения курса физики Вы должны будете знать:
- сущность физических явлений, законы и теорию классической и современной физики и области их практического применения;
- важнейшие методы исследования физических явлений;
- перспективы направлений развития физики и проблемы, решения которых важно для дальнейшего развития науки и техники;
Уметь:
- применять физические законы и методы исследования при изучении фундаментальных общеинженерных, технических и специальных дисциплин;
- проводить расчеты и физические измерения, обобщать и проанализировать полученные результаты.
При этом главным для вашей учебой, а в будущем и трудовой деятельности должен быть максимальный познавательный эффект при минимальной затрате времени. Для осуществления этого важного принципа необходимо овладеть научными методами самостоятельной работы, т.е. уметь самостоятельно учиться.
Самостоятельная работа – основа успешного освоения изучаемых дисциплин, особенно формирования умений и навыков по применению теоретических основ к решению конкретных практических задач, привития навыков к добыванию новых знаний, к самообразованию.
Самостоятельная работа играет ведущую роль в формировании навыков познавательной деятельности, вырабатывает способность анализировать факты и явления, учит, самостоятельно мыслить. Она развивает такие качества как организованность, дисциплинированность, активность, инициативу, умение работать с книгой, настойчивость в достижении поставленной цели.
В истории науки известно множество поучительных примеров, когда в молодые годы выполнялись серьезные научные исследования. Раннее увлечение научным поиском повышает возможности значительных достижений в науке.
Замечательную работу по геометрии Блез Паскаль сочинил в 16 лет. С изобретения метода наименьших квадратов начал обучение в Геттингемском университете восемнадцатилетний Гаусс. Физик Герц завершил учебу в университете докторской диссертацией “Об индукции во вращающихся телах”. Молодые годы – творческая пора. Джоуль в 20 лет изобрел электрический двигатель, а Джемс Ватт в 21 год начал разработку паровой машины. Студент политехнического института И.В. Курчатов в 21 год издал научную работу “ К вопросу о радиоактивности снега”.
Студент Верещагин предложил метод вычисления интеграла Мора, который вошел во все учебники по сопротивлению материалов.
Научно- исследовательская работа студентов, безусловно, должна начинаться с первого курса. В институте создано и работает научное общество студентов и в соответствии с доброй традицией ежегодно проводятся научно – технические конференции студентов. Если уже на первом курсе студент примет участие в научном кружке и конференциях, то за время обучения в институте будет ощутимая польза, как в изучении проблем науки, так и в овладении приемами научных исследований.
Для самостоятельного изучения курса физики кафедра рекомендует Вам использовать следующие учебники и учебные пособия:
СПИСОК ОСНОВНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Детлаф А.А., Яворский Б.М., КУРС ФИЗИКИ. - М.: высшая школа, 1989.
2. Савельев И.В. КУРС ФИЗИКИ. - М: наука,1989 т.1-3.
3. Сивухин Д.В. ОБЩИЙ КУРС ФИЗИКИ. - М: наука,1977-86, тт. 1-5.
4. Трофимова Т.И. КУРС ФИЗИКИ. - М: высшая школа, 1990.
5. Фейнман Р.Р., Сенде. Фейнмановские лекции по физике. - М: мир, 1977, вып.1-10.
6. Орир Дж. ФИЗИКА. Перевод с англ. - М: мир, 1981.
Дата добавления: 2021-06-02; просмотров: 83; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!