Название: Механика. Электричество. Часть 1 - курс лекций (А. Б. Климовский)

Жанр: Заочно-вечерний

Просмотров: 1313


Введение

 

При подготовке квалифицированных специалистов большую роль играют фунда- ментальные науки, в частности физика.

Главная цель любой науки, в том числе и физики, рассматривается обычно как приведение в систему сложных явлений, регистрируемых в окружающем  мире нашими органами чувств. Проще говоря, целью науки является получение знаний, понимаемых как структурированная, систематизированная информация. В соответствии с этим фи- зика как наука представляет собой, с одной стороны, совокупность знаний, а именно физических знаний, то есть «разложенную по полочкам информацию», и инструмент получения этих знаний – инструмент для «создания новых полочек», с другой стороны.

Поэтому изучение физики выполняет двойную функцию, во-первых, – это фор- мирование правильного физического мировоззрения, и, во-вторых, – создание фунда- ментальной базы теоретической подготовки, без которых невозможна успешная дея- тельность специалиста. Первая функция – содержательно-мировоззренческая, – может быть реализована при знакомстве с физическими моделями объектов и процессов ре- ального мира, с физическими теориями, в которых, пользуясь модельными представле- ниями, описываются явления окружающего мира, и с законами физики, отражающими общее в характеристиках происходящих явлений. Вторая функция – познавательно- методологическая, способствующая развитию мышления, реализуется в знакомстве и освоении логики и технологии познавательного процесса на примерах лучших образ- цов научной мысли, созданных в процессе кропотливой многовековой работы огромно- го числа физиков-исследователей и обобщенных гениальными умами человечества.

Изучение физики имеет наибольшую ценность и дает наилучший результат, когда обе эти функции выполняются в неразрывном единстве. То есть, пользуясь уже упомя- нутой аналогией, когда «раскладывание по полочкам» приводит к созданию «новых полочек», образование которых вынуждает «перекладывать уже разложенное».

Чтобы оба процесса были эффективными, полезно познакомиться с  принципи- альной структурой знаний в физике.

Базовыми элементами, отправными точками являются ф и з и ч е с к и е  м о д е л и объектов и явлений, под которыми понимают мысленный идеализированный образ объекта или явления, отражающий в упрощенном виде интересующие свойства реаль- ного объекта или явления. Например, модель материальной точки в качестве модели тела, применяемая, когда размеры тела несущественны. Или волновая модель света, ос- нованная на результатах опытов, которые указывают на большое сходство света с вол- нами на воде, хотя световые волны нельзя наблюдать, как волны на воде.

Не  следует  смешивать  понятие  модели  с  реальной  системой  или  явлением. Модель всегда относительно проста и сохраняет только структурное сходство с изу- чаемым явлением. Ни одна модель не безупречна, по мере получения новых сведений о явлении модель уточняется или заменяется на новую.

Когда физическая модель явления получает достаточное развитие, усложняет- ся, становится более детальной и описывает не одно явление, а широкий круг явлений, ее обычно называют ф и з и ч е с к о й  т е о р и е й .  Например, волновая теория света, которая описывает ряд световых явлений, в частности, дифракцию световых волн и их интерференцию.

Введение

 

Любая теория должна подтверждаться экспериментом. Но это не значит, что тео- рию можно «доказать» экспериментально. Во-первых, абсолютно точное измерение не- возможно, в любом случае мы можем получить только оценку измеряемой величины с той  или  иной  точностью,    в  то  время  как  теория  содержит  точные  утверждения. Во-вторых, невозможно проверить теорию во всех конкретных ситуациях.

Сами теории также не являются совершенными, они имеют границы применимо- сти, причем даже в их рамках теории редко согласуются точно (в пределах точности эксперимента) с результатами наблюдений в каждом конкретном случае, в котором их проверяют. Созданные теории, отслужив свой срок, заменяются новыми, предсказания которых лучше количественно согласуются с экспериментом и, как правило, позволяют объяснить  более широкий класс явлений. Старые теории или сохраняют исторически- познавательное значение, например, атомная теория Бора, или используются в грани- цах применимости, определенных новой теорией, например, классическая механика Ньютона.

Новые теории обычно находятся не только в лучшем количественном соотноше- нии с опытом, они нередко существенно изменяют понимание физического мира. Например, после создания специальной теории относительности принципиально изме- нились представления о пространстве и времени, появилось осознание связи между по- нятиями массы и энергии.

Важную роль  в установлении и применении физических теорий играют ф и з и- ч е с к и е   з а к о н ы , представляющие краткие, но достаточно общие утверждения относительно характера явления. Законы часто принимают форму соотношения меж- ду описывающими явления величинами, например, закон всемирного тяготения.

Физический закон обобщает результат многих наблюдений. Так же, как теории, законы не могут быть абсолютно справедливы, у каждого есть ограничения. При полу- чении новых результатов некоторые законы могут быть видоизменены или даже от- брошены. Поэтому не прекращается работа по уточнению, казалось бы, твердо уста- новленных законов. Например, к настоящему времени известно, что показатель степени

 

расстояния в знаменателе закона Кулона равен

2  2 1016 , то есть он не отличается

от « 2 », по крайней мере, до 16-го знака после запятой. Это, во-первых, определяет точность выполнения самого закона, а, во-вторых, подтверждает справедливость дру-

гих законов. Если окажется, что показатель степени, начиная с некоторого знака, отли- чается от « 2 », то это приведет к принципиальному пересмотру ряда теорий.

С развитием моделей, усложнением теорий, установлением новых законов физика

охватывает все более широкий круг явлений, вторгаясь в пограничные области знаний. Так возникли и успешно развиваются астрофизика, геофизика, физическая химия, био- физика и др. Границы физических представлений в последнее время существенно рас- ширились.

В настоящее время, строго говоря, ф и з и к о й  считают науку, изучающую про- стейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Изучаемые физикой явления (механические, тепловые и др.) присутствуют во всех более сложных явлениях (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются наиболее общими.

Физика как область знаний не является перечнем однотипных знаний. Она вклю- чает в себя много разделов, отличающихся по изучаемым объектам (физика элементар- ных частиц и ядра, физика атомов, молекул, твердого тела и др.), по изучаемым свойст- вам объектов (механика, электродинамика, термодинамика и т. д.), по методам и спосо-

бам изучения (термодинамика и молекулярно-кинетическая теория и т. п.).

Мы в нашем курсе начнем с простых моделей, с каждой темой включая в рас- смотрение новые свойства явлений, что будет приводить сначала к постепенному, а за-

 

тем к принципиальному усложнению используемых моделей и изучаемых теорий. Где это возможно, мы будем следовать историческому изменению физической картины ми- ра, проходя путь, по которому шла физика в своем развитии.

Изучать физические явления мы будем, рассматривая их на лекциях, выполняя лабораторные работы и решая задачи контрольных работ.

Лекционный курс построен в соответствии с рабочей программой курса физики для студентов заочно-вечернего факультета УлГТУ, что отражено в  настоящем курсе лекций. Занятия по физике на заочно-вечернем факультете продолжаются в течение трех семестров, в соответствии с этим курс лекций состоит из трех частей. В первую часть включены два больших раздела – физические основы механики и электриче- ство. Во второй части рассмотрены три раздела – электромагнетизм, физика волно- вых процессов и квантовая физика. В третьей части – оставшиеся разделы курса – статистическая физика и термодинамика, элементы физики твердого тела и фи- зика атомного ядра и элементарных частиц. Каждый раздел состоит из нескольких тем, каждая тема снабжена перечнем вопросов, которые в ней рассмотрены и будут включены в билеты экзамена или зачета.

Выполнение лабораторных работ позволит дополнить теоретический материал знакомством на практике с основными физическими явлениями и понятиями соответ- ствующих разделов, а также познакомиться с техникой физического эксперимента.

Решение задач в контрольных работах даст возможность применить полученные знания в простейших модельных ситуациях и глубже усвоить изучаемый материал.