Объектом изучения физики является: 2. Что является предметом изучения физики?

Содержание

Объект исследования в физике — Записки Летучего/Летающего Медведя — LiveJournal

Объект исследования в физике [Dec. 8th, 2006|12:00 am]

flying_bear


Эпиграф: «Познание начинается, так сказать, с середины, и ведет в неизведанное — как тогда, когда совершается восходящее, так и тогда, когда происходит нисходящее движение. Наша задача состоит в том, чтобы постепенно развеивать тьму в обоих направлениях, а абсолютный фундамент — этот огромный слон, несущий на своей могучей спине башню истины, — он существует разве что в сказках» (Г. Вейль, более подробную цитату см. http://flying-bear. livejournal.com/181756.html)

В связи с http://ivanov-petrov.livejournal.com/531874.html и предыдущими обсуждениями с ivanov_petrov хотелось бы записать несколько тезисов, чтоб не забылось.

1. Вопрос о выделении объекта исследования, на самом деле, в физике до недавнего времени стоял очень остро. Поскольку более-менее непосредственно даны нам лишь результаты макроскопических измерений, такие понятия как «атом», «электрон», «поле» не являются самоочевидными и, в действительности, вплоть до недавнего времени не воспринимались как таковые. Гейзенберг в «Физике и философии» вполне четко говорит об элементарных частицах, включая электрон, как о платоновских идеях (с прямыми ссылками на «Тимей»). Бор выводил корпускулярно-волновой дуализм из того обстоятельства, что мы вынуждены описывать микрообъекты на языке макроэкспериментов. Как резюме копенгагенской интерпретации квантовой механики, часто используется фраза (уже не помню, кому в точности она принадлежит, кажется, Максу Борну) «Квантовая механика описывает наше знание об атомном мире, а не атомный мир сам по себе».

2. Проверке в науке всегда подлежит картина мира в целом. «Что можно, а что нельзя наблюдать, зависит от теории, которой вы пользуетесь». В каком-то смысле, первична картина, а не элементы. «Электрон», «фотон», «нейтрино» и т.п. определяются по характеристикам, определяющим их взаимодействие с доугими частицами. Изолированная частица, не взаимодействующая ни с чем, объектом исследования быть не может. Взаимодействие же с окружением часто радикально меняет своства системы (в частности, именно оно, по-видимому, ответственно за классичность макрообъектов, а также за необратимость, т.е. за второе начало термодинамики).

3. Стандартные аргументы, что атомы «видно» (я сам их часто использую) важно правильно понимать. Изображения отдельных атомов в сканирующей туннельной микроскопии воспринимаются именно как изображения атомов только к контексте определенной теории.

4. «По крайней мере, у «среднего» научного работника отсутствует осознание того, что наука в сущности тоже является не прямым описанием реальности, а некоторой символической системой (например, установление связи какой-нибудь «модели Гейзенберга» в теории магнетизма с физической реальностью требует, вообще говоря, не меньших усилий, чем толкование библейской книги Даниила, которым занимался Ньютон» (http://lit. lib.ru/i/irhin_w_j/ordinanceshtm.shtml). Классики нашей науки, в общем, понимали это всегда. Впечатление (в целом, правильное), что физики стали крайне беззаботно относиться к определению объекта своей науки, обусловлено именно социальными причинами — «умные не надобны, надобны успешные». Жлобство в науке процветает и доросло до уровня манифестов (таковым я считаю, например, книгу Д.Дейча «Структура реальности»). Коммьюнити в целом разделилось на умных и красивых — на успешно решающих конкретные задачи и на обеспокоенных мировоззренческими вопросами. Обезьян, вынужденных разрываться, практически уже не существует (все разорвались; ха-ха).

5. «Физикализация» той же биологии произошла в основном путем внедрения в биологию простейших (с точки зрения физики) технических приемов исследования. Тем самым, если биология и стала подражать физике, это физика не переднего края и не первой свежести. Здесь как раз есть место для определенной надежды, причем больше для физики, чем для биологии. Возможно, попытки разобраться с «физикой сложных систем» заставят физиков вновь заняться обсуждением глубоких мировоззренческих вопросов, т.к. без этого работа в этой области просто-напросто не может быть успешной в техническом смысле. (Книги Пригожина и декларации многочисленных «синергетиков» здесь — не более чем «декларация о намерениях»).

Comments:

Я люблю всех своих френдов. Но их уже 750. Если сочтете возможным, возьмите меня… На основе принципа взаимности.

Да, по-моему, это самое «правильное выделение объекта исследования» и «постановка задачи» — самые интересные части физики. То что это потом каким-то образом обрабатывается математикой — уже не так интересно.

Интересно что, в части постановки задачи и выделения объекта исследования хорошая физика не столь далека от хорошей хоть биологии, хоть филологии и истории. Правда, гуманитарные науки на систематизации и выделении правильных объектов исследования, как правило, и останавливаются. Но это от слишком большой сложности этих самых объектов исследования. Подумав так я вполне зауважал филологов.

Про это все как раз очень много у Иванова-Петрова по ссылке. Основное утверждение там (в Ваших терминах), что хорошей физики почти что и не бывает, а последнее время и другие науки сильно испортились в этом смысле — концентрируются на «как», а не на «что». Как наблюдение, это, наверно, правильно. Может быть, у нас еще будет хорошая физика снова…

Если позволите, прокомментирую. И спрошу 🙂

Честно говоря, я думаю, что любое наше знание описывает наше знание, а не мир сам по себе 🙂 Однако нельзя сказать, что «мы в принципе не можем познать мир». Наше знание описывает мир приближённо — и в этом суть. То, что само по себе, содержится внутри пределов точности измерений. Т.е. любая наука обречена распадаться так, как Вы описали — ровно потому, что она основана на экспериментальной проверке, а проверка в предельном случае — это проверка на успешность.

Насчёт толкований — согласен, толкование в физике требует не меньших усилий. Одно но — язык. Поскольку язык — это математика, то «пройтись» по нему воспроизводимым образом (и получить результат) может любой. Именно поэтому возможна модульность знания (используем модуль не понимая, что у него внутри), поэтому возможно построение здания физики целиком.

Что до проверки всей картины мира в целом — это особенность современного этапа физики, мне кажется. По сути физика (да и любая наука) занимается согласованием отдельных модулей. Как только всё упихивается в одну согласованность, остаётся последняя проверка — на самосогласованность здания целиком. И вообще говоря, никаких проверок больше и не бывает — строится самосогласованная «сеть», с некоторой точностью покрывающая «весь мир». Прорывы происходят тогда, когда в каком-то месте точность наблюдений заметно повышается, и начинают быть видимы «другие кружева».


И вопрос, как обещал — а что Вы имеете в виду под жлобством?

Сначала с вопроса. Спефиально о книге Дейча я не писал, разве что совсем коротко: http://flying-bear.livejournal.com/206581.html Чего-то раскидано по разным лискуссиям, не могу найти. В двух словах: примерно такое вот мировоззрение (1) всё просто, чё думать, трясти надо (2) любой современный простой парень круче всех этих Эйнштейнов-Франкенштейнов (у Дейча в явном виде в книге есть утверждения, что современный средний физик понимает теорию относительности лучше Эйнштейна и что создатели квантовой механики всё запутали) (3) эффективность как критерий истины (если ты такой умный, почему ты бедный — применительно к научным теориям). Вот, примерно, как-то так.

По остальному — трудно, слишком большое несогласие по базовым утверждениям. Я не согласен, что наука основана на экспериментальной проверке, что язык — это математика. .. Но тут слишком много надо громоздить, а я и так много чего про это уже понаписал. Кроме как зафиксировать позицию — не знаю, что еще можно сделать.

спасибо за пункт 3. Я часто его слышу. Когда услышал от Вас, смутился. Так что — приятное уточнение.

Жить в обществе и быть свободным от общества нельзя. Набрался где-то… Но способен исправлять свои ошибки, да.

«Коммьюнити в целом разделилось на умных и красивых — на успешно решающих конкретные задачи и на обеспокоенных мировоззренческими вопросами»
И я так и не пойму — кто «хуже»: красивые или умные?? Или «оба хуже»? (с)

Конечно, успешно решающие конкретные задачи лучше. Они делают понятное нужное дело. А вот философствование вокруг науки, если оно не достигает определенного уровня и не основано на личном опыте — полностью бесполезно и вредно.

Изучать философию следует, в лучшем случае,
после пятидесяти. Выстраивать модель
общества — и подавно. Сначала следует
научиться готовить суп, жарить — пусть не ловить —
рыбу, делать приличный кофе

(И. Бродский).

Грубо говоря, Эйнштейну можно (и Пенроузу можно), Васе Пупкину — нельзя.

Два пути существуют и могут существовать для отыскания и открытия истины. Один воспаряет от ощущений и частностей к наиболее общим аксиомам и, идя от этих оснований и их непоколебимой истинности, обсуждает и открывает средние аксиомы. Этим путем и пользуются ныне. Другой же путь: выводит аксиомы из ощущений и частностей, поднимаясь непрерывно и постепенно, пока наконец не приходит к наиболее общим аксиомам. Это путь истинный, но не испытанный.
Разум, предоставленный самому себе, вступает на тот же путь, на какой ведут правила диалектики, а именно на первый. Ибо дух стремится подняться к наиболее общему, чтобы там успокоиться, и слишком скоро начинает пренебрегать опытом.
Разум, предоставленный самому себе, если это ум трезвый, терпеливый и упорный (особенно, если ему не мешают усвоенные ранее учения), пытается отчасти идти по второму, истинному пути, но с малым успехом, Ибо разум, если им не управляют и не помогают ему, бессилен и вовсе не способен преодолеть темноту вещей. (Ф. Бэкон)
http://borovik.livejournal.com/127483.html

From: yurvor
2006-12-08 02:35 pm (UTC)

Re: К эпиграфу

(Link)

Мне кажется, это не «правильный и неправильный» пути, а скорее как колебательный контур. Вверх-вниз-вверх-вниз, и один без другого невозможен. Хотя заниматься могут ими разные люди, и не одобрять деятельности других, тем не менее, друг без друга они невозможны…

From: nil_0
2006-12-08 12:19 pm (UTC)

к людЯм надо относиться мягше, а на вещи смотреть ширше

(Link)

Дойча на пустом месте обидели.
Конечно, его местами заносит, но зато его читать интересно.
Кстати, Дойч — не Вася Пупкин. По квантовым компьютерам он — классик.
И Пенроуза, надо заемтить, заносит ничуть не меньше чем Дойча, и его тоже интересно читать.
А что сейчас ОТО понимают лучше, чем понимал когда-то Эйнштейн, то ведь наука на месте не стоит: чтобы понять нелинейную теорию надо много чего исследовать, так что «карлик стоящий на плечах гиганта видет дальше его».

From: flying_bear
2006-12-08 01:02 pm (UTC)

Re: к людЯм надо относиться мягше, а на вещи смотреть шир

(Link)

Не на пустом месте, а в силу своих взглядов. У Вас — другие. Имеете полное право, но я пишу, исходя из своих. Мне линия, проповедуемая Дойчем, отвратительна. По многим причинам.

«По квантовым компьютерам он — классик.»

Гхм… Да, я в курсе. Что не увеличивает моего почтения к этой странной области на границе науки, пеара и черной магии.

> карлик стоящий на плечах гиганта видет дальше его

Да, карликам приятнее думать именно так. Если говорить об оригинальном источнике, ньютон сказал это в издевку над Гуком 9который был очень невысокого роста). Ньютон вообще был крайне неприятным человеком…

Да, очень хорошо и точно. И про основания, и про современные тенденции.

Урок 1. физика и естественно-научный метод познания природы — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 1. Физика и естественнонаучный метод познания природы

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

предмет изучения физики;

роль и место физики в формировании современной научной картины мира;

понятия: физическая величина, физический закон, физическая теория, эксперимент, моделирование;

методы исследования физических явлений и процессов;

распознавание и распределение конкретных физических понятий по структурным элементам логической цепочки: наблюдение – гипотеза – эксперимент — вывод.

Глоссарий по теме

Моделирование – это процесс замены реального объекта, процесса или явления другим, называемым моделью.

Модель – упрощенная версия реального объекта, процесса или явления, сохраняющая их основные свойства.

Научный факт – утверждение, которое можно всегда проверить и подтвердить при выполнении заданных условий.

Научная гипотеза – предположение, недоказанное утверждение, выдвигаемое для объяснения каких-нибудь явлений.

Постулат – исходное положение, допущение, принимаемое без доказательств.

Физика – это наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира.

Физическая величина – свойство материального объекта или явления, общее в качественном отношении для класса объектов или явлений, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Физический закон – основанная на научных фактах устойчивая связь между повторяющимися явлениями, процессами и состоянием тел и других материальных объектов в окружающем мире.

Физический эксперимент – способ познания природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально созданных условиях.

Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью средств измерения. Способы измерения: прямой и косвенный

Список обязательной литературы:

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 5 – 9.

1. В.А.Касьянов. Физика.10. Учебник для общеобразовательных учреждений: профильный уровень.

М.: Дрофа, 2005. С. 3-16.

2. Перельман М.Е. Наблюдения и озарения, или как физики выявляют законы природы. Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2012.

Основное содержание урока

Физика тесно связна с астрономией, химией, биологией, геологией и другими естественными науками. Физическими методами исследования пользуются ученые всех областей науки. За последние четыре столетия люди освоили географию, проникли в недра Земли, покорили океан. Человек создал устройства, благодаря которым он может передвигаться по земле и летать, общаться с жителями других континентов, не покидая собственного жилища. Люди научились использовать источники энергии, предотвращать эпидемии смертоносных болезней. Эти и другие достижения – результат научного подхода к познанию природы

Физика – фундаментальная наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира.

Физика основывается на количественных наблюдениях. Основателем количественного подхода является Галилео Галилей.

Материя – объективная реальность, существующая независимо от нас и нашего знания о нем. Материя существует в виде вещества и поля.

Формы материи: пространство, время. Движение – способ существования материи.

Все физические процессы и явления, происходящие в природе можно объяснить типами фундаментальных взаимодействий:

гравитационное взаимодействие;

электромагнитное взаимодействие;

сильное взаимодействие;

слабое взаимодействие.

Естественнонаучное познание происходит по этапам: Наблюдение – Гипотеза – Теория – Эксперимент. Именно эксперимент является критерием правильности теории.

Особенности научного наблюдения: целенаправлено; сознательно организовано; методически обдумано; результаты можно записать, измерить, оценить; наблюдатель не вмешивается в ход наблюдаемого процесса.

Эксперимент, как исследование каких-либо явлений путем создания новых условий, соответствующих целям исследования, следует различать на мысленный и реальный.

Примерный план проведения эксперимента

1.Формулировка цели опыта

2.Формулировка гипотезы, которую можно было положить в основу опыта.

3.Определение условий, необходимых для проверки гипотезы, установления причинно-следственной связи.

4. Подбор оборудования и материалов, необходимых для опытов.

5. Практическая реализация опыта, сопровождаемая фиксированием результатов измерений и наблюдений выбранными способами.

6. Математическая обработка полученных данных.

7.Анализ результатов.

8. Вывод.

Структура физической теории: основание (фундамент) – ядро – выводы (следствие) – применение. Особенностью фундаментальных физических теории является их преемственность.

Принцип соответствия — утверждение, что любая новая научная теория должна включать старую теорию и её результаты как частный случай.

Гипотеза (от греч. hypóthesis — основание, предположение) — предположение, выдвигаемое перед началом наблюдения или эксперимента, которое должно быть проверено в результате их проведения.

Стандартная формулировка гипотез: «Если …. (факт, следствие), то (значит, при условии) …(причина).

Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих её наблюдений (примеров) и поэтому выглядит правдоподобно. В ходе эксперимента гипотезу доказывают, превращая её в установленный факт (теорию, теорему, закон), ИЛИ же опровергают.

Примерный план изучения физических законов:

1. Связь между какими явлениями (или величинами) выражает закон

2. Формулировка и формула закона.

3. Каким образом был открыт закон: на основе анализа опытных данных или теоретически (как следствие из теории)

4. Опыты, подтверждающие справедливость закона.

5. Примеры использования и учета действия закона на практике.

6. Границы применимости закона.

Одним из важнейших методов исследования является моделирование. Модель – это идеализация реального объекта или явления при сохранении основных свойств, определяющих данный объект или явление. Примеры физических моделей: материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальный газ, др.

Для того, чтобы понять и описать эксперимент вводятся физические величины.

С развитием научных знаний появилась необходимость в развитии единой системы единиц измерений.

На Генеральной конференции мер и весов в 1968 г. достигнуто соглашение о международной системе единиц — «единиц измерения СИ», согласно которому базовыми единицами измерения являются семь следующих : метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль (грамм-моль).

Измерить величину — это значит сравнить ее с эталоном, с единицей измерения. Прямое измерение — определение значения физической величины непосредственно средствами измерения. Косвенное измерение – определение значения физической величины по формуле, связывающей её с другими физическими величинами, определяемыми прямыми измерениями.

При обработке результатов измерений нужно оценивать, с какой точностью проводится измерение, какую ошибку допускает ваш прибор, то есть определить погрешность измерений и как влияет сам процесс измерения на объект, который вы измеряете.

Объективность получаемых данных обеспечивают различные физические приборы. Следует различать: приборы наблюдения (микроскоп, телескоп, бинокль и др.) и приборы измерения (термометр, барометр, линейка, весы и др.).

Примеры и разбор тренировочных заданий

  1. Решите кроссворд:

Вопросы к кроссворду:

  1. Эксперимент, возможность проведения которого зависит от наличия соответствующей материально-технической и финансовой обеспеченности.
  2. Процесс замены реального объекта, процесса или явления другим, называемым моделью.
  3. Вид наблюдения, в котором информация получается при помощи приборов.
  4. Наблюдение за тем, что происходит вокруг, без определенной цели.
  5. Единица измерения, с которой сравнивают измеряемую величину.

Правильный ответ:

2. Подчеркните слова, обозначающие приборы для измерения, одной чертой; приборы для наблюдения – двумя: термометр, бинокль, секундомер, микроскоп, транспортир.

Правильный вариант: Одной чертой: термометр, секундомер, транспортир. Двумя чертами: бинокль, микроскоп.

Современная стохастическая финансовая математика: О программе

Финансовая математика – это междисциплинарная научная область, находящаяся на стыке фундаментальной математики, прикладной математики, компьютерных наук, инженерии программного обеспечения и математической экономики. Объектом изучения финансовой математики являются рынки финансового капитала, финансовые активы и инструменты (как базовые, так и в особенности производные финансовые инструменты — деривативы), а предметом изучения — стохастическая динамика цен, объемов торгов и рисков финансовых инструментов. Необходимо отметить, что финансовая математика весьма значительно отличается от актуарной математики по предмету, объекту, целям, задачам и методам исследования, и потому не должна смешиваться с последней. Финансовая математика тесно связана с информационными (компьютерными) технологиями, которые предоставляют информационное обеспечение для решения задач финансовой математики.

 

Настоящая программа направлена на формирование у студентов базового набора компетенций, необходимых для осуществления профессиональной деятельности в области финансовой математики и финансовых технологий, в том числе: инвестиционно-банковской деятельности в области рынков финансового капитала, производных финансовых инструментов и управления финансовыми активами. В программе представлены как классические, так и современные (21-й век) задачи, модели и методы финансовой математики.

Соответствующие компетенции включают широкие области фундаментальной математики (важнейшими из которых являются: теория вероятностей, теория случайных процессов, математическая статистика, уравнения математической физики),  прикладной математики (в том числе численные методы решения уравнений математической физики, методы оптимизации, методы Монте-Карло стохастического моделирования), финансовой экономики (включая методы моделирования финансово-экономических процессов, теорию ценообразования и рисков основных классов финансовых активов и инструментов рынков капитала), информационных технологий и компьютерных наук (в том числе объектно-ориентированное программирование, мета-программирование, параллельные вычисления и многие другие).

Выпускники данной программы будут иметь квалификационный потенциал для работы в государственных органах – финансовых регуляторах, инвестиционных банках (в том числе в департаментах рынков капитала, управления активами, электронной торговли финансовыми инструментами, брокерского обслуживания), хедж-фондах и иных инвестиционных фондах, биржах и внебиржевых электронных торговых площадках, а также в иных профессиональных областях, связанных с прикладной математикой и высокоуровневыми современными информационными технологиями.

Цель:

познакомить обучающихся с предметом, задачами и методами современной стохастической финансовой математики как междисциплинарной научной области, находящейся на стыке фундаментальной математики, прикладной математики, компьютерных наук, инженерии программного обеспечения и математической экономики.

Задачи:

— познакомить обучающихся с основными парадигмами, математическим аппаратом, моделями и методами финансовой математики;

— сформировать у обучающихся знания, умения и навыки моделирования основных типов стохастических финансовых процессов, ценообразования опционов, управления портфельными рисками;

— сформировать у обучающихся базовые компетенции в области инженерии современного программного обеспечения, предназначенного для решения задач финансовой математики.

Предмет и структура физики, методы изучения физических явлений с примерами

п.1. Предмет и объект изучения физики

Физика – это наука о природе в самом общем смысле. Сам термин «фюзис» — в переводе с древнегреческого «природа» — впервые появляется в работах Аристотеля (IV век до н.э.). При этом «природа» в понимании философа – это не просто окружающая среда, а сущность составляющих её вещей и событий в ней, а познание «природы» — это наблюдение, понимание и объяснение событий.

Примеры наблюдений и объяснений:

Наблюдение

Объяснение

Корабли скрываются за линией горизонта

Земля круглая

День сменяет ночь

Земля вращается вокруг своей оси, подставляя одну сторону под солнечные лучи

Многократное эхо слышно в просторном помещении или в горах

Звуковые волны отражаются от препятствия (стены или скалы)

Физика – это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи (в виде вещества и полей), и законы её движения.

Предмет изучения физики – наиболее общие закономерности явлений природы, свойства, строение и законы движения материи.

Механические, молекулярные, тепловые, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные явления, которые изучает физика, — это наиболее простые и наиболее общие формы движения материи. Они присутствуют в более сложных формах, изучением которых занимаются химия, биология, астрономия, география и другие науки.

Объект изучения физики – это природа, то есть весь окружающий мир.

Мы воспринимаем окружающий мир с помощью ощущений (зрение, обоняние, осязание, вкус). Построенные нами приборы дополняют наши органы чувств, но и от них мы воспринимаем информацию в основном через зрение.

п.2. Место физики среди других наук

Физика является естественной наукой, поскольку изучает природу. Наряду с физикой к естественным наукам относятся химия, биология, астрономия, география.

Физика является точной наукой, поскольку исследует количественно точные закономерности и использует строгие методы проверки гипотез, основанные на воспроизводимых экспериментах и строгих логических рассуждениях. К точным наукам также относят математику, химию, информатику и некоторые разделы биологии.

Физика является фундаментальной наукой, поскольку включает в себя как теоретические, так и экспериментальные исследования материальных систем, и является основой для остальных естественных наук. Её понятия, законы, теории, методы и средства используются во всех областях науки и техники.

Физика является прикладной наукой в значительной части своих разделов и направлений (акустика, баллистика, гидродинамика, оптика, материаловедение и т.п.), где изучаются конкретные технологические и технические применения полученных знаний в приборах, установках, машинах и механизмах.

п.3. Физические явления

Окружающий нас мир заполнен твёрдыми, жидкими и газообразными физическими телами.

Физическое тело это то, что имеет форму и занимает определённый объём.

Примеры физических тел:

Любое физическое тело из чего-то состоит или из чего-то изготовлено.

То, из чего состоят физические тела, называют веществами.

Сегодня нам известны десятки миллионов веществ. Многие из них можно найти в природе, но гораздо больше создается и применяется человеком.

Примеры веществ:

Явления – это изменения, происходящие с телами и веществами в окружающем мире.
Физические явления – это изменения, происходящие с физическими телами и веществами, из которых они состоят, без превращений этих веществ в другие.
К физическим явлениям относятся механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые, световые, атомные явления.

Примеры физических явлений:

Физическое явление

Вид явления

Физическое тело или
вещество, с которым явление
происходит

Движение Земли вокруг Солнца

Планета Земля

Разрядка аккумулятора смартфона

Электрическое

Катод (оксид металла), анод (пористый углерод) и электролит (литий)

Поворот стрелки компаса

Стрелка (из магнита) в магнитном поле Земли

Воздух (распространение звука), стена (отражение звука)

Отражение в зеркале

Оптическое (световое)

Поверхность зеркала

Свечение Солнца и звезд

Плазма звезды

п.

4. Методы изучения физических явлений

Наблюдение и опыт – два основных метода изучения физических явлений.

Наблюдения происходят пассивно, без вмешательства в явление, но целенаправленно.
Например: наблюдение восхода Солнца, радуги, падения метеорита, исследования космического излучения.

Наблюдение – целенаправленное восприятие физических явлений, без вмешательства в них, в естественных условиях.

Опыт – это активная форма познания природы в специально созданных условиях.
Например: опыт по изучению условий плавания тел, испарения жидкостей, теплоты сгорания топлива.

Опыт (эксперимент) – это изучение физических явлений в контролируемых и управляемых условиях.

Процесс познания начинается с наблюдения. Затем формулируется гипотеза, ставится цель и разрабатывается план исследований. Затем – если это возможно – ставится опыт, а если нет – продолжаются наблюдения. На основании полученных результатов, делаются выводы.
Совместно наблюдения и опыты формируют эмпирический уровень научного исследования.

При формулировке гипотезы мы часто полагаемся на интуицию или «здравый смысл». Но действительность может оказаться неожиданной. Например, в знаменитом опыте Галилея деревянный и чугунный шары, брошенные с башни, упали на землю одновременно. Хотя «здравый смысл» подсказывал, что чугунный шар должен был упасть быстрее.
С развитием физики таких явлений, судить о которых на основании интуиции нельзя, становится всё больше. Такие явления называют контринтуитивными.

п.5. Построение физических теорий

Самостоятельным уровнем познания природы является создание физических теорий.

Физическая теория – это математическая модель физического явления, для которой обязательно выполнение двух требований:

  • непротиворечивость;
  • возможность на основе построенной теории получить предсказания новых физических явлений, которые согласуются с последующим экспериментом.

Физические теории обобщают наблюдения и опыты и объясняют те или иные явления. Кроме объяснений уже полученных результатов, теория должна также предсказывать новые явления на уровне гипотезы. Затем запускается эмпирическая проверка, рассмотренная нами выше. Если гипотеза подтверждается, она становится частью теории.

Интересно, что физика не ставит и не отвечает на вопрос «почему природу удается описывать именно с помощью математики»? Этот факт воспринимается как данность.

«Математика – это язык, на котором написана книга природы».

Галилео Галилей (1564-1642),
итальянский физик, механик, астроном, философ, математик

Примеры физических теорий:

  • классическая механика;
  • статистическая физика;
  • классическая электродинамика;
  • квантовая механика;
  • специальная теория относительности;
  • квантовая электродинамика;
  • единая теория электрослабых взаимодействий;
  • теория струн.

п.6. Задачи

Задача 1. Опишите 5 известных вам эмпирических исследований физических явлений по стадиям «наблюдение – гипотеза – опыт – вывод».

Наблюдение

Гипотеза

Опыт

Вывод

Корабли скрываются за линией горизонта

Земля круглая?

Совершаем кругосветное путешествие

Да, Земля круглая

Все тела без опоры падают на землю

Тяжелые тела падают быстрее?

Бросаем два одинаковых по размеру шара – деревянный и чугунный – с башни. Они падают одновременно

Нет, скорость падения не зависит от массы тела

С помощью рычага легче поднять груз

Чем больше плечо, тем меньшую силу нужно приложить?

Оборудуем рычаг, начинаем уравновешивать один и тот же груз, прилагая разную силу с разным плечом

Да, при уравновешивании груза произведение плеча и приложенной силы постоянно, т.е. чем больше плечо, тем меньше сила

Вода закипает при нагревании через определенное время

Вода закипает при одной и той же температуре?

Измеряем температуру кипящей воды

Да, вода всегда закипает при 100°С

Вода в большой и маленькой посуде закипает за разное время

Рост температуры при нагревании зависит от массы?

Измеряем температуру при нагревании разных масс воды от одного источника тепла

Да, чем больше масса, тем медленней растет температура

Задача 2. Назовите 5 явлений, реальная сущность которых оказалась контринтуитивной.

Физическое явление

Интуитивная гипотеза

Контринтуитивная
реальность

Поверхность Земли простирается во все стороны, куда ни глянь

Земля плоская?

Земля имеет форму шара

Ежедневно Солнце всходит и заходит над Землей

Солнце вращается вокруг Земли?

Земля вращается вокруг Солнца

Все тела без опоры падают на землю

Тяжелые тела падают быстрее?

Скорость падения не зависит от массы тела

Мы сидим на стуле, монитор стоит на столе, на многие предметы можно опереться, никто не сможет пройти сквозь стену, — мир выглядит плотным и надежным

Вещество состоит из атомов, в которых положительно заряженное вещество равномерно и плотно заполняет все пространство, а электроны встроены в него как «изюминки»?
(«пудинговая модель» атома)

Атом практически пустой.
Почти вся масса (99,99%) сосредоточена в очень маленьком (10–15 объема атома) и очень плотном ядре.
(«планетарная модель» атома)

Если стрелять сначала из неподвижного, а затем из движущегося танка, скорость снаряда относительно цели будет разной.
Скорости танка и снаряда суммируются

Если движущийся космический корабль выпустит вспышку света, скорость вспышки будет равна сумме скоростей света и корабля?

Вспышка будет распространяться со скоростью света, причем во все стороны одинаково

Физика с основами геофизики | СГУ

Дисциплина «Физика с основами геофизики» относится к базовой части (Б1.Б.7) блока «Дисциплины (Модули)». Дисциплина адресована профилю «Природопользование» направления подготовки 05.03.06  «Экология и природопользование», изучается в первом и втором семестрах (первый год обучения). Она включает в себя теоретическую и практическую части.

В результате изучения модуля формируются следующие компетенции: ОПК-5, ПК-2.

Целью освоения дисциплины «Физика с основами геофизики» является получение студентами основополагающих представлений о фундаментальном строении материи и физических принципах, лежащих в основе современной естественнонаучной картины мира. Также целями освоения дисциплины являются изучение фундаментальных законов физики и геофизики, основных экспериментальных закономерностей, лежащих в основе этих законов, методов описания классических и квантовых систем, формирование у студентов знаний и умений, позволяющих моделировать физические явления и проводить численные расчеты соответствующих физических величин. В результате изучения дисциплины студенты должны получить представление о материальности природы, о формах существования материи и ее эволюции, о состояниях в природе, об изменениях физических величин и их специфике в различных разделах физики и геофизики. Она также является фундаментом для последующего изучения профессиональных и профильных дисциплин.

Задачи освоения дисциплины:

– сформировать у студентов современное естественнонаучное мировоззрение;

– сформировать у студентов научное мышление, дать прочные знания основных фундаментальных законов классической и современной физики;

– расширить их научно-технический кругозор;

– дать представление о различных физических моделях окружающего мира и границах применимости различных физических теорий;

– показать, что законы физики используются при объяснении явлений природы и процессов, протекающих на Земле, в недрах и окружающем пространстве;

– вооружить студентов последовательной системой знаний, которая необходима для становления их естественнонаучного образования, успешного усвоения специальных курсов и могла бы быть использована ими и в их практической деятельности.

Программа дисциплины построена блочно-модульно, в ней выделены следующие разделы:

Часть 1. ФИЗИКА. Механика. Молекулярная физика. Электричество и магнетизм. Колебания и волны, оптика. Атомная и ядерная физика.

Часть 2. ОСНОВЫ ГЕОФИЗИКИ. Введение. Основы геофизики. Предмет и объект изучения. Основы физики Земли, геофизические поля. Региональные физические свойства вещества Земли. Магнитное поле Земли. Тепловое поле Земли. Барическое поле Земли. Физические поля в биосфере. Техногенные физические поля.

Лаборатория Физики оксидных сегнетоэлектриков НИТУ «МИСиС»

Ключевая информация о лаборатории:

Лаборатория Физики оксидных сегнетоэлектриков (лаборатория ФОС) создана в 2020 году в рамках выполнения государственного задания Министерства образования и науки РФ.

Заведующим лабораторией является PhD, к.ф.-м.н. Дмитрий Александрович Киселев, h-index (Scopus) = 20

Штатными сотрудниками лаборатории ФОС являются 24 человека, из них 15 человек — научные сотрудники (10,1 штатных единиц). Активное участие в научной работе принимают студенты, аспиранты и молодые ученые, средний возраст сотрудников на конец 2020 года не превышает 40 лет.

Деятельность лаборатории:

Основной задачей лаборатории ФОС является получение новых магнитоэлектрических композитных материалов (так называемых «композитных мультиферроиков») на основе оксидных сегнетоэлектриков с упорядоченной доменной структурой, а также исследование свойств таких материалов и создание приборов и устройств на их основе.

Объектами исследования являются композитные мультиферроики на основе объемных моно- и поликристаллических, а также тонкопленочных сегнетоэлектриков, аморфных металлических стекол, тонких пленок и фольг ферромагнитных металлов и сплавов, а также связующих материалов.

Среди возможных применений композитных мультиферроиков одним из наиболее перспективных и близких к практической реализации является создание на основе таких материалов высокочувствительных сенсоров сверхслабых магнитных полей, способных работать при комнатной температуре и позволяющих бесконтактно измерять сверхслабые токи в маломощных устройствах и электронных схемах, а также в живых организмах. Одним из возможных применений, из-за которых объемные и композитные магнитоэлектрики в последние годы интенсивно исследуются многими лидирующими мировыми научными группами, является возможность использования их в устройствах неинвазивной диагностики в качестве датчиков сверхслабых магнитных полей, индуцируемых токами протекающими в нейронах живых организмов (в частности, в сердце и центральной нервной системе). Так, магнитоэнцефалографы и магнитокардиографы позволяют на ранних стадиях диагностировать, локализовать и изучать такие заболевания мозга и сердца, как рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, шизофрения, хронический алкоголизм, невралгии различного генеза, инфаркт миокарда, аритмия. Создание новых магнитоэлектрических материалов на основе оксидных сегнетоэлектриков с упорядоченной доменной структурой позволит удешевить существующие устройства магнитной диагностики, что будет способствовать их широкому распространению и применению в медицинской практике. Простота изготовления и возможность миниатюризации структуры данного типа позволит создавать более доступные приборы магнитной диагностики.

Другими перспективным приборами, использующими активные элементы на основе композитных мультиферроиков, являются микроволновые фазовращатели, электронно-настраиваемые СВЧ-резонаторы и линии задержки, системы сбора бросовой энергии, магнитоэлектрические гираторы.

Основные научные направления деятельности лаборатории:

  • Разработка численных методов расчета магнитоэлектрических параметров слоистых композитных магнитоэлектриков.
  • Исследование влияния доменной структуры сегнетоэлектрической фазы на свойства магнитоэлектрических композитов.
  • Разработка методики локального формирования заряженных междоменных границ в объемных монокристаллах 180-градусных сегнетоэлектриков LiNbO3 и LiTaO3 и изучение электрофизических свойств таких границ.
  • Синтез и изучение тонких пленок бессвинцовых сегнетоэлектриков (в том числе нанокристаллических), разработка методов управления доменной структурой таких пленок с целью повышения магнитоэлектрических свойств композитов на их основе.
  • Синтез и исследование тонких плёнок магнитострикционных материалов методом лазерной абляции, магнетронного распыления мишени и электрохимического осаждения.
  • Исследование влияния различных магнитострикционных материалов (аморфных металлических стекол, тонких пленок никеля) на магнитоэлектрические свойства композитных структур.
  • Расчет и формирование оптимальной доменной структуры в сегнетоэлектриках LiNbO3 и LiTaO3 с целью повышения магнитоэлектрического эффекта, снижения внутренних тепловых шумов и миниатюризации функциональных слоев магнитоэлектрических композитов
  • Разработка методики получения композитных тонкопленочных структур с сегнетоэлектрическими и магнитоэлектрическими включениями на основе химического осаждения из парогазовой среды в вакууме.
  • Исследование сегнетоэлектрических и магнитоэлектрических наноразмерных кластеров в композитах на основе аморфных устойчивых к внедрению лигатуры в больших концентрациях материалов.
  • Определение фундаментальных аспектов формирования сегнетоэлектрических и магнитоэлектрических тонких слоев в композитах на основе аморфной устойчивой к внедрению лигатуры в больших концентрациях матрицы. Разработка методик исследования электрофизических параметров получаемых мультимагнитных тонкопленочных материалов.
  • Исследование статической доменной структуры, эффектов локального переключения поляризации, измерение пьезоэлектрических характеристик бессвинцовых сегнетоэлектрических керамик, в том числе на основе ниобата калия-натрия (K0.5Na0.5)NbO3 и цирконата титаната бария (Ba(Zr,Ti)O3) методами сканирующей зондовой микроскопии.
  • Сравнительный анализ влияния изо- и гетеровалентных замещений, на диэлектрические параметры, величину спонтанной поляризации и пьезоэлектрические характеристики, выявление составов, наиболее перспективных в плане практических применений.
  • Создание функциональных элементов для датчиков сверхслабых магнитных полей, индуцируемых токами, протекающими в нейронах живых организмов (в частности, в сердце и центральной нервной системе), в неинвазивной диагностики.

«Солнце — очень активный объект» – Огонек № 42 (5637) от 26.10.2020

Солнце на глазах становится важнейшим объектом изучения для земной науки. Впервые зонды пролетели так близко, чтобы сфотографировать корону нашей звезды, математики моделируют процессы внутри нее, в России строят мощный комплекс по изучению его влияния на нашу планету. А что мы знаем о Солнце сегодня? Достаточно ли, чтобы защитить себя от вступления Солнца в активную фазу? Во сколько вообще экономике обходятся солнечные вспышки? И, наконец, зачем ученые кипятят небо у нас над головами с помощью сверхмощных антенн? Обо всем этом «Огонек» поговорил с директором Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН, членом-корреспондентом РАН Андреем Медведевым.

Беседовала Елена Кудрявцева

— Андрей Всеволодович, в последние годы появилось так много серьезных космических миссий по изучению Солнца, что невольно начинаешь подозревать что-то неладное. Только США запланировали целых пять…

— К Солнцу сейчас действительно повышенное внимание — одновременно осуществляется много интересных космических миссий. Например, Solar Orbiter впервые исследует полюса Солнца с максимально близкого расстояния. Интерес в целом понятен: ближний космос в последние годы осваивается как никогда активно, а с деятельностью Солнца связана работа огромного количества аппаратуры в космосе — систем связи, навигации, спутников мониторинга… От того, сможем ли мы достоверно предсказывать активность Солнца, зависит также развитие космонавтики и межпланетных перелетов.

Речь, впрочем, не только о космической деятельности. Еще в XIX веке, напомню, состоялась так называемая буря Каррингтона — из-за мощной солнечной вспышки на сотнях километров пропадала связь, выходили из строя телеграфные линии и аппараты, самих телеграфистов иной раз било током. С тех пор вспышек такой мощности у нас не было.

— А если такое произойдет сейчас? Можете предсказать последствия?

— Огромный поток частиц в первую очередь повредит космические аппараты в ближнем космосе, причем самым серьезным образом. Следом пострадает коротковолновая связь по всей Земле. Затем нарушится глобальное позиционирование, которое сейчас осуществляется при помощи навигационных спутниковых систем, таких как GPS, ГЛОНАСС и аналогичных структур в КНР.

На поверхности Земли пострадают все протяженные технологические системы — телеграф, энергетические службы и трубопроводы. Известно, что во время мартовской бури 1989-го в Квебеке (она была в разы слабее каррингтоновской) наступил так называемый блэкаут на территории Канады: наведенные токи вызвали выгорание трансформаторов, так что из строя вышла значительная часть энергосистемы страны. А в октябре 2003-го мощная «хэллоуинская» вспышка на Солнце повредила ряд спутников, вызвала перебои в телефонной и мобильной связи.

Эксперты оценивают разовый ущерб такого воздействия в триллионы долларов. Так что в целом катастрофы на Солнце могут привести глобальную экономику в состояние коллапса, причем в первую очередь пострадают страны в высоких широтах.

Помимо Канады это север Америки, север Европы и Россия с ее протяженным арктическим побережьем, которое сейчас интенсивно осваивается. Научное сообщество все это осознает, поэтому в США и Китае работают целые комитеты, которые курируют весь комплекс работ по изучению и мониторингу Солнца. Они также работают по комплексным проблемам прогноза и предотвращения катастрофических событий, связанных с возмущениями на Солнце.

— Учитывая актуальность темы, досадно, что в космосе нет работающих российских солнечных миссий.

— Да, мы серьезно отстаем и, безусловно, нуждаемся в создании космических аппаратов для работы вблизи Солнца. Сегодня, правда, есть точка зрения, что в науке должно быть разделение труда по странам. Но это, на мой взгляд, не снимает вопроса: есть страны, в том числе Россия, которые по своему положению в мире просто обязаны заниматься всем перечнем передовых научных проблем.

Восемь с половиной минут

— Взглянем с другой стороны. А что дает предсказание солнечной бури, если мы не можем ее предотвратить?

— Можно предотвратить последствия. К счастью, природа нам дает интервал времени в 8 с половиной минут: столько идет до Земли электромагнитное излучение от Солнца. И, что даже более важно, у нас есть еще время от полусуток до двух с половиной суток — столько доходит до нас в зависимости от скорости и мощности вспышки на Солнце само вещество, которое возмущает геомагнитное поле.

А вот за это время мы уже можем, к примеру, застраховать линии электропередачи, переключившись на вспомогательные источники электроэнергии. Можем перевести в состояние сна спутники. Перекинуть воздушные суда на резервные каналы связи, которые менее подвержены воздействию. А еще в таком прогнозе остро нуждаются специалисты, работающие на современных радарах и локаторах. Ведь во время солнечной вспышки можно увидеть ложные отметки о целях, и если принять помехи за вражеские объекты, которые вас атакуют, это может стать причиной катастрофы.

— Всерьез страдают только технические системы? Или людям тоже важно получать эти предупреждения?

— Последствия солнечных вспышек непосредственно влияют на пилотов дальней авиации при трансполярных перелетах. Понятно, как выгодно использовать полярную область для сокращения перелета, скажем, из Западного полушария в Восточное, когда летишь из РФ в Японию или США. Но на этой трассе серьезные технические трудности неизбежны: линии магнитного поля здесь образуют воронку, через которую солнечное вещество практически беспрепятственно доходит до поверхности Земли. То есть процессы высыпания высокоэнергетических частиц (речь о радиации.— «О») здесь куда более интенсивные. Если не учитывать прогнозы солнечной активности, то за один полет можно получить уровень радиации, который обычно пилот накапливает за всю профессиональную жизнь.

— А такая служба прогноза где-то работает? Могут сегодня отменить полет по прогнозу активности Солнца?

— Мы еще не вышли на уровень уверенного прогноза таких событий, чтобы выдавать предупреждение об отмене полетов. Но к тому идет. Для этого важно понимать, как устроены солнечно-земные связи, как представляет сегодня наука всю физическую цепочку процессов между Солнцем и поверхностью Земли.

— И как она ее видит?

— Пока это еще уравнение со многими неизвестными. Мы знаем, что процессы на Солнце не регулярны, но они имеют некие закономерности, которые во многом от нас ускользают.

Связь между Солнцем и Землей осуществляется через межпланетное космическое пространство, которое тоже контролирует Солнце, от него зависит плотность потока частиц — нейтронов, протонов, электронов и нейтрино.

«Общаются» Солнце и Земля и в пограничной сфере — в магнитной оболочке Земли. Долгое время, вплоть до ХХ века, ученые представляли, что Земля имеет магнитное поле простой конфигурации, в форме двух полусфер вокруг магнитного стержня, как рисуют в учебниках. Но в середине XX века стало понятно: мы живем в постоянном потоке солнечного вещества, которое обдувает Землю как ветер и серьезно деформирует ее магнитное поле: со стороны Солнца оно прижато потоком, а с ночной стороны — сильно вытянуто. При этом конфигурация нашего магнитного поля постоянно меняется — под порывами солнечного ветра оно трепещет, как аэродромная «колбаса», которая показывает направление ветра. Скажем, когда частицы солнечного ветра возмущают магнитное поле Земли, там индуцируются электрические токи, происходит высыпание частиц и это влияет сначала на космические аппараты и на космонавтов, а затем на ионосферу — верхнюю часть атмосферы.

— Именно благодаря ионосфере у нас есть современная связь?

— Да, начиная с работы первых радиоаппаратов стало понятно, что волны определенного диапазона вовсе не излучаются в космос, а распространяются вокруг Земли, огибая ее. Было высказано предположение, что в верхних слоях атмосферы Земли существует некий ионизированный слой, который отражает волны. Благодаря этому слою мы можем иметь связь с очень удаленными объектами, вплоть до кругоземной связи.

Так вот. Оказалось, что эту самую ионизацию обеспечивает солнечное излучение. Но поскольку оно не постоянно, то и связь в некотором диапазоне может быть неустойчивой. Стало ясно: если мы хотим осуществлять связь на большие расстояния, нужно в первую очередь изучать Солнце.

— Вы упомянули космонавтов. А как они спасаются от порывов солнечного ветра? Ведь Солнце может выбросить массу вещества порядка 10 млрд тонн.

— На обитаемых космических аппаратах есть камеры с повышенной защитой от солнечного излучения. В них укрываются, когда предполагается выброс солнечного вещества. Но понятно, что все время там проводить нельзя, а обеспечить такой защитой весь корабль не получится — он будет слишком тяжелым. Но до начала длительных космических миссий эту задачу нужно решить.

Выследить пятно

— Мы все время говорим о вспышках и пятнах. Можно пояснить, что это с физической точки зрения?

— Нужно понимать: в космосе нет спокойных или умерших объектов, все обладают какой-то активностью. Солнце — объект очень активный. Для него характерен 22-летний цикл, во время которого происходят так называемые переполюсовки, когда северный и южный магнитные полюса полностью меняются местами. При этом изменяется и конфигурация магнитного поля Солнца, вплоть до того, что в какой-то момент оно похоже на скрученный жгут, бублик, который располагается в экваториальной плоскости. Затем оно снова распределяется между полюсами. Эти процессы сопровождаются серьезной перестройкой магнитных полей Солнца.

Вспышки и пятна напрямую связаны с этой динамикой магнитного поля. Там, где магнитное поле слабеет, оно плохо сдерживает солнечную плазму и в какой-то момент она прорывается — мы видим вспышку, которая сопровождается выбросом вещества и электромагнитным излучением в очень широком диапазоне.

— А исходя из чего тогда делается прогноз сегодня?

— Ученые наблюдают за появлением новых пятен. У Солнца период обращения вокруг своей оси — порядка 27 дней. Иногда пятно отрабатывает свой цикл и выбрасывает вещество, когда Солнце смотрит в противоположную сторону от Земли, тогда мы на какое-то время успокаиваемся. Если этого не происходит — ждем выброса.

— Насколько большими могут быть пятна на Солнце и как долго они живут?

— Они могут быть просто огромными и занимать до 10 процентов поверхности. Кроме того, чаще всего пятно не одно, а целая группа пятен. Вообще, за период наблюдений самое большое количество пятен на Солнце было на рубеже 1950–1960-х годов. С тех пор их становится меньше, но это не означает, что вероятность мощных вспышек падает: катастрофические события на Солнце возможны и в слабые циклы. Достаточно высокие циклы активности, в которые наблюдалось много пятен, были в 2001-м и 2003-м. Сегодня же мы живем в цикле с очень небольшим количеством пятен.

— Существует теория, что пониженная солнечная активность связана с похолоданием, в частности с малым ледниковым периодом в XVI веке. Подтверждается ли это?

— Крайне интересный вопрос. Малый ледниковый период в XVI–XVII веках действительно сопровождался продолжительным периодом очень низких температур на всей поверхности Земли и затяжным периодом низкой солнечной активности.

Но у нас, увы, до сих пор нет устоявшейся теории, которая позволяла бы связать циклы солнечной активности с циклами потепления и похолодания земного климата. Мы понимаем: связь есть. Но ее механизмы до конца неизвестны.

Чаще всего в климатологии нынешние процессы изменения климата связывают с антропогенной деятельностью. В этом есть серьезный резон, но очевидно, что это не единственный фактор воздействия. По точным наблюдениям, в том числе и палеоклиматическим, мы знаем, что серьезные циклы потепления и похолодания имели место. Причем циклы потепления были достаточно узкие, а циклы похолодания — продолжительные. Сейчас, конечно, антропогенный фактор присутствует, но мы и так находимся в рамках цикличности потепления. Возможно, природные циклы сработают так, что антропогенный фактор станет несущественным и мы вполне можем оказаться в ближайшее время в цикле похолодания, которого не ожидаем.

— А Солнце сейчас выходит из цикла минимальной активности?

— Да, Солнышко пробуждается, на нем изредка начинают появляться пятна.

— Только этого не хватало сейчас во время?пандемии…

— А от этого никуда не деться: от одного пика солнечной активности до другого примерно 11 лет. По этому поводу точно не нужно расстраиваться.

Вооруженным взглядом

— Институт солнечно-земной физики в Иркутске, которым вы руководите, десятилетиями вел фундаментальные исследования, но не так давно приступил и к прикладным — занялся составлением прогнозов. Какие технические средства вам понадобились для этого?

— В России наш институт — лидер по наземным экспериментальным наблюдениям всех факторов космической погоды. Поэтому речь об очень широком спектре приборов: крупные оптические телескопы, радиотелескопы, радары и оптические наземные устройства, которые изучают собственное свечение атмосферы. Расположены они на обширной территории: от крупной обсерватории рядом с заполярным Норильском до обсерватории в горах рядом с Монголией. Плюс накоплен огромный опыт экспериментально-фундаментальных исследований в области солнечно-земной физики. Это позволяет развернуть на базе нашего института крупный проект наблюдательных средств нового поколения. Работы в этом направлении сейчас объединены в Национальный гелиогеофизический комплекс РАН.

— Говорят, ничего более грандиозного у нас не строили уже полвека. Какие самые интересные инструменты входят в комплекс?

— Будет построено семь уникальных объектов: в Бурятии радиогелиограф в Тункинской долине, набор оптических инструментов у села Торы, лидар (лазер, работающий по принципу радара), комплекс радаров на озере Байкал, крупный солнечный телескоп на территории Саянской солнечной обсерватории. Нагревной стенд (оборудование для проведения испытаний.— «О») под Ангарском и Центр обработки данных в Иркутске.

— В 1960-е в СССР появилась служба Солнца, это будет что-то похожее?

— У службы Солнца была конкретная задача: обеспечивать постоянный мониторинг Солнца от восточных до западных границ страны. Гелиофизический комплекс заменить ее не сможет, так как он обеспечивает наблюдение в одной точке, но зато очень крупными инструментами. Мы наблюдаем такие структуры, которые недоступны ни одной службе. Таких установок не может быть много, их может быть несколько на всей Земле.

— В каком состоянии проект сегодня?

— В Бурятии строится уникальный радиогелиограф, планируем запустить его в следующем году. Он будет делать томографию короны Солнца и изучать ее более высокие и более низкие слои. Другой крупный объект — солнечный телескоп с диаметром зеркала 3 метра — будет построен на границе с Монголией, сейчас заканчиваем проектирование. Он сможет изучать поверхность Солнца с высочайшим временным и пространственным разрешением, недоступным до сих пор наземным инструментам.

— Кто же построит такое зеркало? Это же инженерное чудо.

— Планируем, что само зеркало будет производиться в России. Подобный опыт есть у подмосковного Лыткаринского завода оптического стекла, где сегодня выпускается примерно треть всего мирового рынка крупногабаритной оптики. Они изготовили зеркала для крупнейших телескопов — сети телескопов LGOGT, второго по размеру в Азии тайского телескопа TNT, обзорных телескопов VST и VISTA.

В состав комплекса войдет и один из лучших в мире направленных радаров, с помощью которого можно будет исследовать отклик на солнечное воздействие на высотах от 10 до более 1000 километров. Это важно, потому что средняя и высокая атмосфера — очень разные физические объекты и перекрыть весь этот диапазон одним радиофизическим устройством крайне трудно. Мы нашли уникальное технологическое решение вместе со специалистами Радиотехнического института им. Минца. У них есть опыт создания крупных радиолокационных станций, в том числе новейших радаров для предупреждения о ракетном нападении. На основе этих моделей, только, конечно, совсем с другими конфигурациями, будет создаваться новый радар НР-МРС (некогерентный радар «мезосфера — стратосфера — тропосфера») для фундаментальных исследований. Работа стала возможна, так как у нас в институте много лет эксплуатируется бывший военный радар, мы хорошо понимаем достоинства и недостатки такого оборудования и знаем, что нужно для решения нового класса задач.

— А как военный радар появился в вашем институте?

— В СССР система предупреждения о ракетном нападении создавалась с 1960-х годов на базе крупных и очень мощных радиолокационных станций. В конце 1980-х ряд этих станций начали выводить из состава Вооруженных сил. Когда речь зашла об установке в наших краях, академик Гелий Жеребцов, который 30 лет руководил нашим институтом, предложил передать ее ученым. Мы приняли станцию на баланс в начале 1990-х, в очень тяжелое время, сегодня это единственный в РФ (и один из десяти в мире) радаров некогерентного рассеивания подобного рода. Он занимается диагностикой ближнего космоса и верхней атмосферы. Чтобы вы поняли, о чем речь: с помощью этого радара можно «разглядеть» пятирублевую монету на расстоянии 200 километров, а куски космического мусора видны и за 1000 километров. Чрезвычайно важным будет исследование специальными оптическими средствами узкой области на высоте 80–100 километров, где фактически молчат все радиоволны. Чтобы исследовать волновые процессы, здесь мы будем использовать лидар.

— Когда должен быть завершен проект?

— Первые два объекта будут завершены в 2021-м, конечный срок ввода в эксплуатацию — 2028–2029 годы. Проблема в том, что в целом Национальной гелиогеофизический комплекс настолько сложен, что мы сейчас пытаемся понять, в какой организационной структуре он может существовать. Мы ведь планируем привлечь около 500 специалистов, в том числе из-за рубежа.

Вскипятить небо

— Одна из частей нового геофизического комплекса — установка для нагрева ионосферы. Ее иногда сравнивают с американским комплексом HAARP на Аляске, о котором так любят вспоминать, когда говорят о климатическом оружии.

— Речь идет о коротковолновом нагреве ионосферной плазмы. Наш нагревной стенд является аналогом известной установки HAARP на Аляске, но будет иметь свою специфику. Эта крайне интересная установка позволяет ставить лабораторные эксперименты над природной средой. То есть мы с помощью антенн радаров создаем очень мощное, точечное, контролируемое и хорошо дозированное воздействие на природную среду, а потом следим за реакцией с помощью всего арсенала диагностических средств.

— Ученые гигантским лучом разогреют небо?

— Давайте поясним, что такое нагревной стенд. Мы говорили, что существует диапазон длинных волн радиоизлучения, которые отражаются от ионосферы,— так выглядит нормальный процесс связи. А когда плотность энергии в этом излучении превосходит некий уровень, то внутри плазмы начинаются процессы разогрева и проявляется настоящий зоопарк разнообразных процессов, который очень интересно изучать. И чем больше установок вокруг, чтобы эти процессы фиксировать, тем лучше. Такие эксперименты весьма важны, потому что ионосфера защищает нас от?массы неприятностей, связанных с солнечными выбросами, и нам необходимо понимать, грубо говоря,?сколько она сможет выдержать.

— Какой объем ионосферы при этом нагревается?

— Объем гигантский: речь идет о десятках тысяч кубических километров на высоте от 150 до 400 километров. Хотя в глобальном смысле мы нагреваем очень локальный участок. А для наземного наблюдателя участок неба, куда направлено повышенное радиоизлучение, просто по-другому светится.

— Кто первым придумал такие эксперименты и откуда разговоры о климатическом оружии?

— Можем с гордостью сказать: пионеры — советские ученые. Один из первых инструментов — под Нижним Новгородом на реке Суре, там проходят интересные эксперименты, хотя сама установка нуждается в глубокой модернизации. А вообще, сегодня нагревными экспериментами очень серьезно занимаются в США, отлично работает стенд Arecibo в?Пуэрто-Рико, есть сложная норвежская установка EISCAT на Шпицбергене. Серьезно к вопросам создания таких центров относится и Китай.

Что касается вопроса о климатическом оружии, то теперь мы вряд ли поймем, откуда пошли подобные разговоры. На мой взгляд, такие установки с большой долей вероятности к климатическому оружию не относятся. Трудно представить себе физические механизмы, которые позволили бы осуществить что-то подобное: атмосфера, где мы летаем на самолетах и к которой мы с вами привыкли, очень плотная среда по сравнению с той, что находится выше. Плотность ионосферы ничтожна, поэтому очень сложно представить, что, изменяя среду с крайне низкой плотностью, можно воздействовать на среду с высокой плотностью.

— Вы не раз упомянули китайских коллег. В институте именно с ними хорошо налажено сотрудничество?

— Географически Китай нам ближе, и с ними проще общаться. Но это не главное. Главное, что комплекс задач солнечно-земной физики невозможно решать только в одной точке, нам нужны данные в меридиональном и в широтном разрезе. К тому же в Китае сегодня просто феерические успехи в развитии экспериментальной и наблюдательной базы. У них лучшее в мире покрытие современными оптическими средствами наблюдения той самой узкой области, где не работают радиоволны.

— Ваш институт в 2009-м зафиксировал столкновение искусственных спутников Земли в космосе — американского «Иридиума» и выведенного из эксплуатации «Космоса-2251». Реально ли предотвращать такие события?

— Мы можем отслеживать траектории объектов, опасных для действующих спутников, и предупреждать о возможных столкновениях. Это существенно, так как практически у всех объектов, за безопасностью которых мы следим, есть возможность для маневрирования. Но если, конечно, мусор возник внезапно, в результате какого-то взрыва, то тут мы мало что можем.

— Это как у китайцев, когда взорвался спутник?

— Они сами взорвали его ракетой, чтобы показать свои возможности. В итоге образовалось огромное облако осколков на высотах 800–900 километров.

— Мы начали с того, что наука сегодня помогает защищать все разрастающуюся техносферу, но, возможно, пора скорректировать этот рост?

— Проблема, которая касается непосредственно запуска спутников, давно обсуждается, с нашей стороны в этом участвуют специалисты Роскосмоса и МИДа. Полагаю, в скором времени должно быть заключено международное соглашение по квотам на запуски спутников. Ясно ведь, что прежняя свободная и вольготная деятельность в космосе достигла предела…

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным, в № 11 за 2019 год — с Алексеем Старобинским, в № 20 — со Львом Зелёным, в № 23 — с Михаилом Фейгельманом, в № 30 — с Александром Белавиным, в № 38 — с Валерием Рязановым в № 47—Юрием Оганесяном, в № 2 за 2020 год — с Алексеи Китаевым, в №11 за 2020 год с — Владимиром Драчевым, с Александром Замолодчиковвым в № 18, со Львом Иоффе в № 24, с Фазоилом Атауллахановым в № 27, с Геннадием Борисовым в №30, с Владимиром Кекелидзе в №35, с Юрием Ковалевым в №39.

Основы физики | Безграничная физика

Введение: физика и материя

Физика — это исследование того, как ведет себя Вселенная.

Цели обучения

Применить физику для описания функции повседневной жизни

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Физика — это естествознание, которое включает изучение материи и ее движения в пространстве и времени, а также связанных с ними понятий, таких как энергия и сила.
  • Материей обычно считается все, что имеет массу и объем.
  • Научные законы и теории выражают общие истины природы и совокупность знаний, которые они охватывают. Эти законы природы — правила, которым, кажется, следуют все естественные процессы.
Ключевые термины
  • материя : основной структурный компонент Вселенной. Материя обычно имеет массу и объем.
  • научный метод : метод открытия знаний о мире природы, основанный на создании опровергнутых прогнозов (гипотез), их эмпирической проверке и разработке рецензируемых теорий, которые наилучшим образом объясняют известные данные.

Физика — это естественная наука, которая включает изучение материи и ее движения в пространстве и времени, а также связанных с ними понятий, таких как энергия и сила. В более широком смысле, это изучение природы в попытке понять, как ведет себя Вселенная.

Что такое физика? : Г-н Андерсен объясняет важность физики как науки. История и виртуальные примеры используются для придания контекста дисциплины.

Физика использует научный метод, чтобы помочь раскрыть основные принципы, управляющие светом и материей, и обнаружить последствия этих законов.Он предполагает, что существуют правила, по которым функционирует Вселенная, и что эти законы могут быть хотя бы частично поняты людьми. Также широко распространено мнение, что эти законы можно было бы использовать для предсказания всего о будущем Вселенной, если бы была доступна полная информация о текущем состоянии всего света и материи.

Материей обычно считается все, что имеет массу и объем. Многие концепции, неотъемлемые для изучения классической физики, включают теории и законы, объясняющие материю и ее движение.Например, закон сохранения массы гласит, что масса не может быть создана или уничтожена. Поэтому дальнейшие эксперименты и расчеты в физике учитывают этот закон при формулировании гипотез, пытающихся объяснить природные явления.

Физика стремится описать функции всего, что нас окружает, от движения крошечных заряженных частиц до движения людей, автомобилей и космических кораблей. На самом деле, практически все, что вас окружает, можно довольно точно описать законами физики.Рассмотрим смартфон; физика описывает, как электричество взаимодействует с различными цепями внутри устройства. Эти знания помогают инженерам выбрать подходящие материалы и схему схемы при сборке смартфона. Затем рассмотрим систему GPS; Физика описывает взаимосвязь между скоростью объекта, расстоянием, на которое он проходит, и временем, которое требуется, чтобы пройти это расстояние. Когда вы используете устройство GPS в транспортном средстве, оно использует эти физические уравнения для определения времени в пути из одного места в другое.Изучение физики способно внести значительный вклад благодаря достижениям в новых технологиях, которые возникли в результате теоретических открытий.

Система глобального позиционирования : GPS вычисляет скорость объекта, расстояние, на которое он перемещается, и время, необходимое для прохождения этого расстояния, с помощью уравнений, основанных на законах физики.

Физика и другие области

Физика является основой многих дисциплин и вносит непосредственный вклад в химию, астрономию, инженерию и большинство научных областей.

Цели обучения

Объясните, почему изучение физики является неотъемлемой частью изучения других наук

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Многие научные дисциплины, такие как биофизика, представляют собой гибриды физики и других наук.
  • Изучение физики охватывает все формы материи и ее движения в пространстве и времени.
  • Применение физики имеет фундаментальное значение для значительного вклада в новые технологии, являющегося результатом теоретических открытий.
Ключевые термины
  • заявка : акт ввода в эксплуатацию

Физика и другие дисциплины

Физика является основой многих важных дисциплин и вносит непосредственный вклад в развитие других. Химия занимается взаимодействием атомов и молекул, поэтому она основана на атомной и молекулярной физике. Большинство областей техники — это прикладная физика. В архитектуре физика лежит в основе структурной устойчивости и участвует в акустике, обогреве, освещении и охлаждении зданий.Части геологии в значительной степени полагаются на физику, например, радиоактивное датирование горных пород, анализ землетрясений и теплопередачу на Земле. Некоторые дисциплины, такие как биофизика и геофизика, представляют собой гибриды физики и других дисциплин.

Физика в химии : Изучение материи и электричества в физике является фундаментальным для понимания концепций химии, таких как ковалентная связь.

Физика имеет множество приложений в биологических науках.На микроскопическом уровне он помогает описать свойства клеточных стенок и клеточных мембран. На макроскопическом уровне это может объяснить тепло, работу и энергию, связанные с человеческим телом. Физика занимается медицинской диагностикой, такой как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковые измерения кровотока. Медицинская терапия иногда напрямую связана с физикой: например, в радиотерапии рака используется ионизирующее излучение. Физика также может объяснить сенсорные явления, например, как музыкальные инструменты издают звук, как глаз определяет цвет и как лазеры могут передавать информацию.

Граница между физикой и другими науками не всегда ясна. Например, химики изучают атомы и молекулы, из которых состоит материя, и есть некоторые ученые, которые в равной степени готовы называть себя физико-химиками или физиками-химиками. Может показаться, что различие между физикой и биологией будет более четким, поскольку физика, похоже, имеет дело с неодушевленными объектами. Фактически, почти все физики согласятся, что основные законы физики, применимые к молекулам в пробирке, одинаково хорошо работают для комбинации молекул, составляющих бактерию.Что отличает физику от биологии, так это то, что многие научные теории, описывающие живые существа, в конечном итоге являются результатом фундаментальных законов физики, но не могут быть строго выведены из физических принципов.

Необязательно формально изучать все приложения физики. Что наиболее полезно, так это знание основных законов физики и умение использовать аналитические методы их применения. Изучение физики также может улучшить ваши навыки решения проблем. Более того, физика сохранила самые основные аспекты науки, поэтому она используется всеми науками.Изучение физики облегчает понимание других наук.

Модели, теории и законы

Термины модель , теория и закон имеют точные значения относительно их использования в изучении физики.

Цели обучения

Определите термины модель, теория и закон

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Концепции в физике не могут быть доказаны, они могут быть подтверждены или опровергнуты только наблюдениями и экспериментами.
  • Модель — это основанное на фактах представление чего-либо, что либо слишком сложно, либо невозможно отобразить напрямую.
  • Теория — это объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей.
  • В законе используется краткий язык, часто выражаемый в виде математического уравнения, для описания обобщенной закономерности в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами.
Ключевые термины
  • Модель : изображение чего-то, что трудно или невозможно отобразить напрямую
  • Закон : Краткое описание, обычно в форме математического уравнения, используемое для описания закономерностей в природе
  • теория : объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей

Определение терминов: модель, теория, закон

В разговорной речи термины модель , теория и закон часто используются взаимозаменяемо или имеют иное толкование, чем в естественных науках.Однако в отношении изучения физики каждый термин имеет свое особое значение.

законы природы — это краткие описания Вселенной вокруг нас. Это не объяснения, а человеческие утверждения основных правил, которым следуют все естественные процессы. Они присущи Вселенной; люди не создавали их, и мы не можем их изменить. Мы можем только их открыть и понять. Краеугольный камень открытия законов природы — наблюдение; наука должна описывать Вселенную такой, какая она есть, а не такой, какой мы можем ее себе представить.Законы никогда нельзя узнать с абсолютной уверенностью, потому что невозможно проводить эксперименты, чтобы установить и подтвердить закон во всех возможных сценариях без исключения. Физики исходят из предположения, что все научные законы и теории действительны до тех пор, пока не будет обнаружен контрпример. Если качественный, поддающийся проверке эксперимент противоречит устоявшемуся закону, то закон должен быть изменен или полностью отменен.

Модели

Модель — это представление чего-то, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую.Хотя конструкция модели оправдана с использованием экспериментальной информации, она является точной только в ограниченных ситуациях. Примером может служить широко используемая «планетарная модель» атома, в которой электроны изображаются вращающимися вокруг ядра, аналогично тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Мы не можем наблюдать орбиты электронов напрямую, но мысленный образ помогает объяснить наблюдения, которые мы можем сделать, например, излучение света горячими газами. Физики используют модели для самых разных целей. Например, модели могут помочь физикам анализировать сценарий и выполнять вычисления, или их можно использовать для представления ситуации в форме компьютерного моделирования.

Планетарная модель атома : планетарная модель атома, в которой электроны изображены вращающимися вокруг ядра, аналогично тому, как планеты вращаются вокруг Солнца

Теории

Теория — это объяснение закономерностей в природе, подтвержденное научными данными и многократно подтвержденное различными группами исследователей. Некоторые теории включают модели, помогающие визуализировать явления, а другие нет. . Теория гравитации Ньютона, например, не требует модели или мысленного образа, потому что мы можем наблюдать объекты непосредственно нашими собственными чувствами.Кинетическая теория газов, с другой стороны, использует модель, в которой газ рассматривается как состоящий из атомов и молекул. Атомы и молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно нашими чувствами, поэтому мы мысленно представляем их, чтобы понять, что наши инструменты говорят нам о поведении газов.

Законы

В законе используется краткий язык для описания обобщенной закономерности в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами. Часто закон можно выразить в виде одного математического уравнения.Законы и теории похожи в том, что они являются научными утверждениями, которые являются результатом проверенной гипотезы и поддерживаются научными доказательствами. Однако закон обозначения зарезервирован для краткого и очень общего утверждения, которое описывает явления в природе, например, закон сохранения энергии во время любого процесса или второй закон движения Ньютона, который связывает силу, массу и ускорение с помощью простого уравнение F = ma. Теория, напротив, представляет собой менее сжатое изложение наблюдаемых явлений.Например, теорию эволюции и теорию относительности нельзя выразить достаточно кратко, чтобы их можно было считать законом. Самая большая разница между законом и теорией состоит в том, что закон намного сложнее и динамичнее, а теория более объяснительна. Закон описывает единственную наблюдаемую точку факта, тогда как теория объясняет целую группу связанных явлений. И если закон — это постулат, лежащий в основе научного метода, теория — это конечный результат этого процесса.

Физические направления и учебные дисциплины

Физика — это отрасль науки, которая изучает природу и свойства неживой материи и энергии, которые не рассматриваются в химии или биологии, а также фундаментальные законы материальной вселенной. Таким образом, это огромная и разнообразная область обучения.

Чтобы разобраться в этом, ученые сосредоточили свое внимание на одной или двух меньших областях дисциплины. Это позволяет им стать экспертами в этой узкой области, не увязая в огромном объеме знаний о мире природы.

Области физики

Физика иногда делится на две широкие категории, основанные на истории науки: классическая физика, которая включает исследования, возникшие с эпохи Возрождения до начала 20 века; и «Современная физика», включающая те исследования, которые были начаты с того периода. Частью разделения можно считать масштаб: современная физика фокусируется на более мелких частицах, более точных измерениях и более широких законах, влияющих на то, как мы продолжаем изучать и понимать, как устроен мир.

Другой способ разделить физику — это прикладная или экспериментальная физика (в основном, практическое использование материалов) в сравнении с теоретической физикой (построение всеобъемлющих законов о том, как работает Вселенная).

По мере того, как вы читаете различные формы физики, должно становиться очевидным, что есть некоторые совпадения. Например, разница между астрономией, астрофизикой и космологией временами может быть практически бессмысленной. То есть всем, кроме астрономов, астрофизиков и космологов, которые могут очень серьезно относиться к различиям.

Классическая физика

Перед началом XIX века физика сосредоточилась на изучении механики, света, звука и волнового движения, тепла и термодинамики, а также электромагнетизма. Области классической физики, которые изучались до 1900 года (и продолжают развиваться и преподавать сегодня), включают:

  • Акустика: Исследование звука и звуковых волн. В этой области вы изучаете механические волны в газах, жидкостях и твердых телах. Акустика включает приложения для сейсмических волн, ударов и вибрации, шума, музыки, общения, слуха, подводного звука и атмосферного звука.Таким образом, он охватывает науки о Земле, науки о жизни, инженерное дело и искусство.
  • Астрономия: Изучение космоса, включая планеты, звезды, галактики, дальний космос и Вселенную. Астрономия — одна из древнейших наук, использующая математику, физику и химию для понимания всего, что находится за пределами атмосферы Земли.
  • Химическая физика: Изучение физики химических систем. Химическая физика фокусируется на использовании физики для понимания сложных явлений на различных уровнях от молекулы до биологической системы.Темы включают изучение наноструктур или динамики химических реакций.
  • Вычислительная физика: Применение численных методов для решения физических задач, для которых количественная теория уже существует.
  • Электромагнетизм: Изучение электрических и магнитных полей, которые являются двумя аспектами одного и того же явления.
  • Электроника: Исследование потока электронов, как правило, в цепи.
  • Гидродинамика / Механика жидкостей: Изучение физических свойств «жидкостей», конкретно определяемых в данном случае как жидкости и газы.
  • Геофизика: Изучение физических свойств Земли.
  • Математическая физика: Применение строгих математических методов для решения задач физики.
  • Механика: Исследование движения тел в системе отсчета.
  • Метеорология / Физика погоды: Физика погоды.
  • Оптика / Физика света: Изучение физических свойств света.
  • Статистическая механика: Изучение больших систем путем статистического расширения знаний о более мелких системах.
  • Термодинамика: Физика тепла.

Современная физика

Современная физика охватывает атом и его составные части, теорию относительности и взаимодействие высоких скоростей, космологию и исследование космоса, а также мезоскопическую физику, те части Вселенной, которые имеют размер от нанометров до микрометров.Некоторые из областей современной физики:

  • Астрофизика: Изучение физических свойств объектов в космосе. Сегодня астрофизика часто используется как синоним астрономии, и многие астрономы имеют ученые степени.
  • Атомная физика: Изучение атомов, в частности электронных свойств атома, в отличие от ядерной физики, которая рассматривает только ядро. На практике исследовательские группы обычно изучают атомную, молекулярную и оптическую физику.
  • Биофизика: Изучение физики живых систем на всех уровнях, от отдельных клеток и микробов до животных, растений и целых экосистем. Биофизика пересекается с биохимией, нанотехнологией и биоинженерией, например, с установлением структуры ДНК из рентгеновской кристаллографии. Темы могут включать биоэлектронику, наномедицину, квантовую биологию, структурную биологию, кинетику ферментов, электрическую проводимость в нейронах, радиологию и микроскопию.
  • Хаос: Изучение систем с высокой чувствительностью к начальным условиям, поэтому небольшие изменения в начале быстро превращаются в серьезные изменения в системе.Теория хаоса — это элемент квантовой физики, полезный в небесной механике.
  • Космология: Изучение Вселенной в целом, включая ее происхождение и эволюцию, включая Большой взрыв и то, как Вселенная будет продолжать меняться.
  • Криофизика / Криогеника / Физика низких температур: Изучение физических свойств в условиях низких температур, намного ниже точки замерзания воды.
  • Кристаллография: Исследование кристаллов и кристаллических структур.
  • Физика высоких энергий: Изучение физики в системах с чрезвычайно высокими энергиями, в основном в рамках физики элементарных частиц.
  • Физика высокого давления: Изучение физики в системах с чрезвычайно высоким давлением, как правило, связанных с гидродинамикой.
  • Лазерная физика: Исследование физических свойств лазеров.
  • Молекулярная физика: Изучение физических свойств молекул.
  • Нанотехнологии: наука о построении схем и машин из одиночных молекул и атомов.
  • Ядерная физика: Исследование физических свойств атомного ядра.
  • Физика элементарных частиц: Изучение элементарных частиц и сил их взаимодействия.
  • Физика плазмы: Исследование вещества в плазменной фазе.
  • Квантовая электродинамика: Изучение того, как электроны и фотоны взаимодействуют на квантовомеханическом уровне.
  • Квантовая механика / Квантовая физика: Изучение науки, в которой становятся актуальными мельчайшие дискретные значения или кванты материи и энергии.
  • Квантовая оптика: Применение квантовой физики к свету.
  • Квантовая теория поля: Применение квантовой физики к полям, включая фундаментальные силы Вселенной.
  • Квантовая гравитация: Применение квантовой физики к гравитации и объединение гравитации с другими взаимодействиями фундаментальных частиц.
  • Relativity: Изучение систем, демонстрирующих свойства теории относительности Эйнштейна, которая обычно предполагает движение со скоростью, очень близкой к скорости света.
  • Теория струн / Теория суперструн: Изучение теории, согласно которой все фундаментальные частицы являются колебаниями одномерных струн энергии в многомерной вселенной.

Источники

1.1 Физика: определения и приложения — Физика

Разделы Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Опишите определение, цели и разделы физики
  • Описать и отличить классическую физику от современной физики и описать важность теории относительности, квантовой механики и релятивистской квантовой механики в современной физике
  • Опишите, как аспекты физики используются в других науках (например,г., биология, химия, геология и др.), а также в бытовой технике

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (2) Научные процессы. Студент использует системный подход к ответам на вопросы научных лабораторий и полевых исследований. Ожидается, что студент:

    • (A) знать определение науки и понимать, что оно имеет ограничения, указанные в подразделе (b) (2) этого раздела;
  • (3) Научные процессы.Учащийся использует критическое мышление, научные рассуждения и решение проблем, чтобы принимать обоснованные решения в классе и за его пределами. Ожидается, что студент:

    • (A) во всех областях науки анализировать, оценивать и критиковать научные объяснения с использованием эмпирических данных, логических рассуждений, экспериментальных и наблюдательных проверок, включая изучение всех сторон научных свидетельств этих научных объяснений, чтобы поощрять критическое мышление посредством студент.
    • (B) передавать и применять научную информацию, полученную из различных источников, таких как текущие события, новостные отчеты, опубликованные журнальные статьи и маркетинговые материалы;
    • (C) делать выводы на основе данных, касающихся рекламных материалов для продуктов и услуг;
    • (D) объяснять влияние научного вклада различных исторических и современных ученых на научную мысль и общество.

Раздел Основные термины

атом классическая физика современная физика
физика квантовая механика теория относительности

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Чтобы помочь удовлетворить мультимодальные потребности классных комнат сегодня, OpenStax Tutor Physics предоставляет советы по поддержке учителей на уровне [OL], ниже уровня [BL] и выше уровня [AL] студенты.

[OL] Предварительная оценка по этому разделу может включать в себя вопросы учащихся об определении материи, атомов, электронов, протонов, нейтронов, субатомных частиц и энергии. Студентов также можно попросить назвать некоторых выдающихся классиков и современных физиков и описать некоторые из их работ в общих чертах.

[OL] Введение и вводная картинка предназначены для того, чтобы показать студентам, что физические законы, управляющие их повседневным окружением, также управляют движением звезд в галактике.Учителя могут спросить учащихся, как гравитация влияет на жизнь на Земле. Студенты, вероятно, упомянут, как гравитация удерживает нас на поверхности Земли. При необходимости предложите им подумать также об орбитальном движении Земли вокруг Солнца. Это движение позволяет Земле наслаждаться теплом солнечного света. Без гравитации Солнца Земля продолжала бы двигаться по прямой линии и удалялась от Солнца, в то время как люди отрывались бы от поверхности Земли. Орбита Луны также может быть включена в это обсуждение, потому что гравитация Земли заставляет Луну двигаться вокруг Земли, а не продолжать движение по прямому пути.

Что такое физика

Подумайте обо всех технологических устройствах, которые вы используете регулярно. На ум могут прийти компьютеры, беспроводной Интернет, смартфоны, планшеты, система глобального позиционирования (GPS), MP3-плееры и спутниковое радио. Затем подумайте о самых захватывающих современных технологиях, о которых вы слышали в новостях, таких как поезда, которые парят над своими рельсами, плащи-невидимки , , которые излучают свет, и микроскопические роботы, которые борются с больными клетками нашего тела.Все эти новаторские достижения основаны на принципах физики.

Физика — это отрасль науки. Слово наука происходит от латинского слова, которое означает обладающих знаниями, и относится к знаниям о том, как работает физический мир, на основе объективных свидетельств, определенных посредством наблюдений и экспериментов. Ключевым требованием любого научного объяснения природного явления является то, что оно должно быть проверено; нужно уметь разработать и провести экспериментальное исследование, которое либо поддерживает, либо опровергает это объяснение.Важно отметить, что некоторые вопросы выходят за рамки науки именно потому, что они имеют дело с явлениями, которые не поддаются научной проверке. Эта потребность в объективных доказательствах помогает определить процесс расследования, которому следуют ученые, который будет описан позже в этой главе.

Физика — это наука, направленная на описание фундаментальных аспектов нашей Вселенной. Это включает в себя, что в нем находится, какие свойства этих вещей заметны и каким процессам подвергаются эти предметы или их свойства.Проще говоря, физика пытается описать основные механизмы, которые заставляют нашу Вселенную вести себя именно так. Например, рассмотрим смартфон (рис. 1.2). Физика описывает, как электрический ток взаимодействует с различными цепями внутри устройства. Эти знания помогают инженерам выбрать подходящие материалы и схему схемы при сборке смартфона. Далее рассмотрим GPS. Физика описывает взаимосвязь между скоростью объекта, расстоянием, на которое он проходит, и временем, которое требуется, чтобы пройти это расстояние.Когда вы используете устройство GPS в транспортном средстве, оно использует эти физические взаимосвязи для определения времени в пути из одного места в другое.

Рис. 1.2 Физика описывает способ прохождения электрического заряда через цепи этого устройства. Инженеры используют свои знания физики для создания смартфона с функциями, которые понравятся потребителям, например, с функцией GPS. GPS использует уравнения физики для определения времени в пути между двумя точками на карте. (@gletham GIS, Social, Mobile Tech Images)

Teacher Support

Teacher Support

[AL] Спросите, какие части сотового телефона должны содержать токопроводящие материалы (провода, печатные платы и т. д.)) по сравнению с изоляционными материалами (например, в местах, где электрическая изоляция не позволяет людям прикасаться к электрическим цепям внутри телефона).

[AL] На этом этапе вы можете углубиться в использование GPS, определив скорость = расстояние / время, обсудив триангуляцию и / или обсудив линию прямой видимости.

По мере того, как наша технология развивалась на протяжении веков, физика расширилась во многие области. Древние люди могли изучать только то, что они могли видеть невооруженным глазом или иным образом испытать без помощи научного оборудования.Это включало изучение кинематики, то есть изучение движущихся объектов. Например, древние люди часто изучали видимое движение объектов на небе, таких как солнце, луна и звезды. Это очевидно при строительстве доисторических астрономических обсерваторий, таких как Стоунхендж в Англии (показано на рис. 1.3).

Рис. 1.3 Стоунхендж — памятник, расположенный в Англии, построенный между 3000 и 1000 годами до нашей эры. Он функционирует как древняя астрономическая обсерватория, а некоторые камни в памятнике совпадают с положением солнца во время летнего и зимнего солнцестояния.Другие скалы совпадают с восходом и заходом луны в определенные дни года. (Citypeek, Wikimedia Commons)

Древние люди также изучали статику и динамику, которые фокусируются на том, как объекты начинают двигаться, прекращают движение и меняют скорость и направление в ответ на силы, толкающие или притягивающие объекты. Этот ранний интерес к кинематике и динамике позволил людям изобрести простые механизмы, такие как рычаг, шкив, рампа и колесо. Эти простые машины постепенно объединялись и объединялись для производства более сложных машин, таких как вагоны и краны.Машины позволяли людям постепенно выполнять больше работы более эффективно за меньшее время, позволяя им создавать более крупные и сложные здания и сооружения, многие из которых существуют до сих пор с древних времен.

По мере развития технологий разделы физики стали еще более разнообразными. К ним относятся такие отрасли, как акустика, изучение звука и оптика, изучение света. В 1608 году изобретение телескопа немецким мастером по изготовлению очков Гансом Липперши привело к огромным открытиям в астрономии — изучении объектов или явлений в космосе.Год спустя, в 1609 году, Галилео Галилей начал первые исследования Солнечной системы и Вселенной с помощью телескопа. В эпоху Возрождения Исаак Ньютон использовал наблюдения Галилея, чтобы построить свои три закона движения. Эти законы были стандартом для изучения кинематики и динамики даже сегодня.

Другой важной областью физики является термодинамика, которая включает изучение тепловой энергии и передачи тепла. Джеймс Прескотт Джоуль, английский физик, изучал природу тепла и его связь с работой.Работа Джоуля помогла заложить основу первого из трех законов термодинамики, которые описывают, как энергия в нашей Вселенной передается от одного объекта к другому или трансформируется из одной формы в другую. Исследования в области термодинамики были мотивированы необходимостью сделать двигатели более эффективными, защитить людей от непогоды и сохранить пищу.

18 -е и 19 века также стали свидетелями больших успехов в изучении электричества и магнетизма. Электричество предполагает изучение электрических зарядов и их движения.Магнетизм давно был замечен как сила притяжения между намагниченным объектом и таким металлом, как железо, или между противоположными полюсами (северным и южным) двух намагниченных объектов. В 1820 году датский физик Ганс Кристиан Эрстед показал, что электрические токи создают магнитные поля. В 1831 году английский изобретатель Майкл Фарадей показал, что перемещение провода через магнитное поле может вызвать электрический ток. Эти исследования привели к изобретениям электродвигателя и электрогенератора, которые произвели революцию в жизни человека, внося электричество и магнетизм в наши машины.

Конец 19 -го века ознаменовался открытием радиоактивных веществ французскими учеными Мари и Пьером Кюри. Ядерная физика предполагает изучение ядер атомов, источника ядерного излучения. В 20–90–459– годах изучение ядерной физики в конечном итоге привело к способности расщеплять ядро ​​атома, этот процесс получил название ядерного деления. Этот процесс лежит в основе атомных электростанций и ядерного оружия. Кроме того, область квантовой механики, которая включает в себя механику атомов и молекул, достигла больших успехов в течение 20 -го -го века по мере расширения нашего понимания атомов и субатомных частиц (см. Ниже).

В начале 90–459 годов века Альберт Эйнштейн произвел революцию в нескольких областях физики, особенно в теории относительности. Относительность произвела революцию в нашем понимании движения и Вселенной в целом, как описано далее в этой главе. Сейчас, в 21, и годах, физики продолжают изучать эти и многие другие разделы физики.

Изучая наиболее важные темы физики, вы приобретете аналитические способности, которые позволят вам применять физику далеко за пределами того, что может быть включено в одну книгу.Эти аналитические навыки помогут вам преуспеть в учебе, а также помогут критически мыслить в любой карьере, которую вы выберете.

Физика: прошлое и настоящее

Считается, что слово «физика» произошло от греческого слова phusis , означающего «природа». Позже изучение природы стало называться Натурфилософия . С древних времен до эпохи Возрождения натурфилософия охватывала множество областей, включая астрономию, биологию, химию, математику и медицину.За последние несколько столетий рост научных знаний привел к постоянно растущей специализации и разветвлению натурфилософии на отдельные области, при этом физика сохранила самые основные аспекты. Физика в том виде, в котором она развивалась с эпохи Возрождения до конца 19, -го, века, называется классической физикой. Революционные открытия, произошедшие в начале 20–90–459– годов, превратили физику из классической физики в современную.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [EL] Изучающим английский язык может потребоваться философия и классическая , определенные в этом разделе.Свяжите определение классической физики с использованием слова классический в контексте, который, вероятно, более знаком студентам, например, в классических фильмах.

Классическая физика не является точным описанием Вселенной, но это отличное приближение при следующих условиях: (1) материя должна двигаться со скоростью менее примерно 1 процента скорости света, (2) объекты, с которыми имеют дело должен быть достаточно большим, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, и (3) может быть задействована только слабая гравитация, например, создаваемая Землей.Очень маленькие объекты, такие как атомы и молекулы, не могут быть адекватно объяснены классической физикой. Эти три условия применимы практически ко всему повседневному опыту. В результате большинство аспектов классической физики должны иметь смысл на интуитивном уровне.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[OL] Чтобы лучше понять опыт учащихся, выразите скорость света в единицах, используемых при вождении автомобиля, например, 1,080 миллиона км / ч или 671 миллион миль в час. Сравните это с примерно восьмиминутным путешествием, которое требуется свету, чтобы пройти 150 миллиардов километров (93 миллиарда миль) от Солнца до Земли.

Многие законы классической физики были изменены в течение 90–459– века, что привело к революционным изменениям в технологиях, обществе и нашем взгляде на Вселенную. В результате многие аспекты современной физики, выходящие за рамки нашего повседневного опыта, могут показаться странными или невероятными. Так почему же большая часть этого учебника посвящена классической физике? Есть две основные причины. Во-первых, знание классической физики необходимо для понимания современной физики.Вторая причина заключается в том, что классическая физика по-прежнему дает точное описание Вселенной в широком диапазоне повседневных обстоятельств.

Современная физика включает две революционные теории: относительность и квантовую механику. Эти теории имеют дело с очень быстрым и очень маленьким соответственно. Теория относительности была разработана Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Изучая, как два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, будут видеть одни и те же явления, Эйнштейн разработал радикально новые идеи о времени и пространстве.Он пришел к поразительному выводу, что измеренная длина объекта, движущегося с высокой скоростью (более одного процента от скорости света), короче, чем длина того же объекта, измеренная в состоянии покоя. Возможно, еще более странным является представление о том, что время для одного и того же процесса различается в зависимости от движения наблюдателя. Время течет медленнее для объекта, движущегося с высокой скоростью. Путешествие к ближайшей звездной системе, Альфе Центавра, может занять у астронавта 4,5 земных года, если корабль движется со скоростью, близкой к скорости света.Однако из-за того, что время замедляется с большей скоростью, астронавт за время полета постареет всего на 0,5 года. Идеи относительности Эйнштейна были приняты после того, как они были подтверждены многочисленными экспериментами.

Гравитация, сила, удерживающая нас на Земле, также может влиять на время и пространство. Например, на поверхности Земли время течет медленнее, чем для объектов, находящихся дальше от поверхности, таких как спутник на орбите. Очень точные часы спутников глобального позиционирования должны это исправить.Они медленно опережают часы на поверхности Земли. Это называется замедлением времени и происходит потому, что гравитация, по сути, замедляет время.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL] Говоря о том, что время течет медленнее при скоростях, близких к свету или при высокой гравитации, важно отметить, что люди в обоих местах воспринимают секунду как один и тот же отрезок времени.

Большие объекты, такие как Земля, обладают достаточно сильной гравитацией, чтобы искажать пространство. Чтобы визуализировать эту идею, представьте шар для боулинга, установленный на батуте.Шар для боулинга вдавливает или искривляет поверхность батута. Если вы катите шарик по батуту, он будет следовать за поверхностью батута, скатится в углубление, образованное шаром для боулинга, и ударит по мячу. Точно так же Земля изгибает пространство вокруг себя в форме воронки. Эти кривые в космосе из-за Земли вызывают притяжение объектов к Земле (т. Е. Гравитацию).

Из-за того, как гравитация влияет на пространство и время, Эйнштейн заявил, что гравитация влияет на пространственно-временной континуум, как показано на рисунке 1.4. Вот почему время у поверхности Земли течет медленнее, чем на орбите. В черных дырах, гравитация которых в сотни раз больше земной, время течет так медленно, что далекому наблюдателю могло показаться, что оно остановилось!

Рис. 1.4 Теория относительности Эйнштейна описывает пространство и время как переплетенную сетку. Большие объекты, такие как планета, искажают пространство, заставляя объекты падать на планету под действием силы тяжести. Крупные объекты также искажают время, заставляя время течь медленнее у поверхности Земли по сравнению с областью за пределами искаженной области пространства-времени.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL] Черные дыры намного плотнее и массивнее Земли. Чем больше масса объекта, тем сильнее создаваемое им гравитационное поле и тем сильнее гравитация замедляет время.

Таким образом, теория относительности утверждает, что при описании Вселенной важно понимать, что время, пространство и скорость не абсолютны. Вместо этого они могут казаться разными для разных наблюдателей. Способность Эйнштейна обосновывать теорию относительности еще более удивительна, потому что мы не можем видеть эффекты относительности в нашей повседневной жизни.

Квантовая механика — вторая важная теория современной физики. Квантовая механика имеет дело с очень маленькими, а именно с субатомными частицами, из которых состоят атомы. Атомы (рис. 1.5) — это мельчайшие единицы элементов. Однако сами атомы состоят из еще более мелких субатомных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны. Квантовая механика стремится описать свойства и поведение этих и других субатомных частиц. Часто эти частицы ведут себя не так, как ожидает классическая физика.Одна из причин этого в том, что они достаточно малы, чтобы двигаться с огромной скоростью, близкой к скорости света.

Рис. 1.5. Используя сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), ученые могут видеть отдельные атомы, составляющие этот лист золота. (Erwinrossen)

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[OL] [AL] Оцените предыдущие знания о субатомных частицах, спросив учащихся, слышали ли они о протонах, электронах, нейтронах, а также о кварках, частицах Хиггса-бозона и скоро.

[AL] Сканирующие электронные микроскопы позволяют получать высокодетализированные виды поверхности объектов, как показано на рисунке 1.5. Они сканируют поверхность объекта пучками электронов, чтобы определить микроскопическую топографию объекта.

На коллайдерах частиц (рис. 1.6), таких как Большой адронный коллайдер на французско-швейцарской границе, физики элементарных частиц могут заставить субатомные частицы перемещаться с очень высокой скоростью в сверхпроводящем туннеле длиной 27 километров (17 миль). Затем они могут изучать свойства частиц на высоких скоростях, а также сталкивать их друг с другом, чтобы увидеть, как они обмениваются энергией.Это привело ко многим интригующим открытиям, таким как частица Хиггса-Бозона, которая придает материи свойство массы, и антивещество, которое вызывает огромное выделение энергии при контакте с веществом.

Рис. 1.6 Коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер в Швейцарии или Фермилаб в США (на фото здесь), имеют длинные туннели, которые позволяют субатомным частицам ускоряться до скорости, близкой к световой. (Andrius.v)

В настоящее время физики пытаются объединить две теории современной физики, теорию относительности и квантовую механику, в единую всеобъемлющую теорию, называемую релятивистской квантовой механикой.Связывание поведения субатомных частиц с гравитацией, временем и пространством позволит нам объяснить, как устроена Вселенная, в гораздо более полной мере.

Применение физики

Вам не нужно быть ученым, чтобы пользоваться физикой. Напротив, знание физики полезно в повседневных ситуациях, а также в ненаучных профессиях. Например, физика может помочь вам понять, почему не следует помещать металл в микроволновую печь (рис. 1.7), почему черный автомобильный радиатор помогает отводить тепло в двигателе автомобиля и почему белая крыша помогает сохранять прохладу внутри дома.Работу системы зажигания автомобиля, а также передачу электрических сигналов через нашу нервную систему гораздо легче понять, если подумать о них с точки зрения базовой физики электричества.

Рис. 1.7 Почему нельзя класть металл в микроволновую печь? Микроволны — это высокоэнергетическое излучение, которое увеличивает движение электронов в металле. Эти движущиеся электроны могут создавать электрический ток, вызывая искрение, которое может привести к пожару. (= MoneyBlogNewz)

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL] Опасно класть металл в микроволновую печь, потому что металл отражает микроволны, которые, когда они свободно колеблются вокруг духовки, могут повредить духовку.Кроме того, металл в микроволновой печи сильно нагревается и начинает генерировать электрическое поле. Это электрическое поле ионизирует воздух, окружающий металл, создавая искры.

Физика — основа многих важных научных дисциплин. Например, химия занимается взаимодействием атомов и молекул. Неудивительно, что химия уходит корнями в атомную и молекулярную физику. Прикладная физика также относится к большинству отраслей инженерии. В архитектуре физика лежит в основе определения структурной устойчивости, акустики, отопления, освещения и охлаждения зданий.Части геологии, изучение неживых частей Земли, в значительной степени опираются на физику; включая радиоактивное датирование, анализ землетрясений и теплопередачу через поверхность Земли. Действительно, некоторые дисциплины, такие как биофизика и геофизика, представляют собой гибриды физики и других дисциплин.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [EL] Учащимся может потребоваться акустика , чтобы объяснить их свойства комнаты или конструкции, которые определяют, как в ней передается звук.

Physics также описывает химические процессы, которые приводят в действие человеческое тело. Физика участвует в медицинской диагностике, такой как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковые измерения кровотока (рис. 1.8). Лечебная терапия У физики также есть много приложений в биологии, изучении жизни. Например, физика описывает, как клетки могут защитить себя, используя свои клеточные стенки и клеточные мембраны (рис. 1.9). Медицинская терапия иногда напрямую связана с физикой, например, с использованием рентгеновских лучей для диагностики состояний здоровья.Физика также может объяснить то, что мы воспринимаем нашими чувствами, например, как уши улавливают звук или глаза определяют цвет.

Рис. 1.8 Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует электромагнитные волны для получения изображения мозга, которое врачи могут использовать для поиска пораженных участков. (Рашми Чавла, Дэниел Смит и Пол Э. Марик)

Рис. 1.9 Физика, химия и биология помогают описать свойства клеточных стенок в клетках растений, таких как клетки лука, показанные здесь. (Умберто Сальваньин)

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] Клеточные мембраны (присутствующие в клетках всех организмов) контролируют перенос материалов в клетку и из клетки.Клеточные стенки (обнаруженные в клетках растений, клетках грибов, бактерий и микробов, похожих на растения) в основном обеспечивают структуру и поддержку.

[AL] Рентгеновские лучи легко проникают через кожу и мягкие ткани, но в гораздо большей степени поглощаются костями. Это создает изображение, на котором кости внутри тела четко видны, а мягкие ткани — нет. МРТ сканирует магнитные свойства атомов внутри тела, позволяя визуализировать твердые и пустые области внутри тела. Ультразвуковые измерения кровотока используют звуковые волны и эффект Доплера для измерения скорости и объема кровотока.

Безграничная физика

Физика посадки на комету

12 ноября 2014 года космический аппарат Rosetta Европейского космического агентства (показан на рис. 1.10) первым из когда-либо достигших орбиты кометы. Вскоре после этого на комету приземлился марсоход Розетты, Philae, что стало первым случаем, когда люди приземлили космический зонд на комету.

Рис. 1.10 Космический аппарат Rosetta с его большими революционными солнечными батареями доставил посадочный модуль Philae к комете.Затем спускаемый аппарат отделился и приземлился на поверхность кометы. (Европейское космическое агентство)

Пройдя 6,4 миллиарда километров с момента запуска на Землю, Розетта приземлилась на комете 67P / Чурюмова-Герасименко, ширина которой составляет всего 4 километра. Физика была необходима, чтобы успешно проложить курс к такой маленькой, далекой и быстро движущейся цели. Путь Розетты к комете был непростым. Зонд сначала должен был отправиться на Марс, чтобы гравитация Марса могла ускорить его и отклонить в точном направлении к комете.

Это был не первый случай, когда люди использовали гравитацию для питания наших космических кораблей. Космический зонд «Вояджер-2», запущенный в 1977 году, использовал гравитацию Сатурна для , чтобы перебросить на Уран и Нептун (показано на рисунке 1.11), что позволило получить первые фотографии этих планет. Теперь, спустя почти 40 лет после запуска, «Вояджер-2» находится на самом краю нашей солнечной системы и вот-вот войдет в межзвездное пространство. Его родственный корабль «Вояджер-1» (показан на рис. 1.11), который также был спущен на воду в 1977 году, уже там.

Чтобы послушать звуки межзвездного пространства или увидеть изображения, переданные обратно с «Вояджера I», или узнать больше о миссии «Вояджер», посетите веб-сайт миссии «Вояджер».

Рис. 1.11 а) «Вояджер-2», запущенный в 1977 году, использовал силу притяжения Сатурна, чтобы перелететь к Урану и Нептуну. НАСА б) Визуализация «Вояджера-1», первого космического зонда, когда-либо покинувшего нашу солнечную систему и вошедшего в межзвездное пространство. NASA

У обоих «Вояджеров» есть генераторы электроэнергии, основанные на распаде радиоизотопов.Эти генераторы служат им почти 40 лет. Розетта, напротив, работает на солнечной энергии. Фактически, Rosetta стала первым космическим зондом, который вышел за пределы пояса астероидов, полагаясь только на солнечные батареи для выработки энергии.

Находясь в 800 миллионах километров от Солнца, Розетта получает солнечный свет, который всего на 4 процента сильнее, чем на Земле. К тому же в космосе очень холодно. Поэтому много физиков ушло на разработку низкотемпературных солнечных элементов Rosetta.

В этом смысле проект Rosetta прекрасно показывает огромный диапазон тем, охватываемых физикой: от моделирования движения гигантских планет на огромные расстояния в пределах наших солнечных систем до обучения выработке электроэнергии из света низкой интенсивности. На сегодняшний день физика — это самая обширная область науки.

Проверка захвата

Какие характеристики солнечной системы необходимо было бы узнать или рассчитать, чтобы отправить зонд на далекую планету, такую ​​как Юпитер?

  1. Эффекты из-за света далеких звезд
  2. Воздух в солнечной системе
  3. Эффекты гравитации от других планет
  4. Эффекты космического микроволнового фонового излучения

Поддержка учителей

Поддержка учителей

В этом отрывке описывается физика, лежащая в основе перемещения зондов Rosetta и Voyager через Солнечную систему с использованием гравитационных выстрелов.Кроме того, сравнивается физика систем питания этих зондов. Это сделано для того, чтобы укрепить применимость физики в широких пределах, от огромных расстояний в нашей Вселенной до крошечных размеров субатомных частиц.

Ответы на проверку хватки могут отличаться. Пример ответа: вам нужно знать, как движется целевая планета, чтобы узнать, когда запустить зонд, чтобы он действительно достиг планеты. Вам также необходимо знать и учитывать влияние гравитации других планет на пути, пройденном во время его путешествия.

Таким образом, физика изучает многие из самых основных аспектов науки. Следовательно, знание физики необходимо для понимания всех других наук. Это потому, что физика объясняет самые основные способы работы нашей Вселенной. Однако формально изучать все приложения физики необязательно. Знание основных законов физики будет очень полезно для вас, чтобы вы могли использовать их для решения некоторых повседневных задач. Таким образом, изучение физики может улучшить ваши навыки решения проблем.

Проверьте свое понимание

1.

Что из следующего не является существенной чертой научного объяснения?

  1. Они должны пройти тестирование.
  2. Они строго относятся к физическому миру.
  3. Об их достоверности судят на основании объективных наблюдений.
  4. После того, как они подтверждены наблюдением, они могут рассматриваться как факт.

2.

Какое из перечисленных ниже не представляет собой вопрос, на который наука может дать ответ?

  1. Сколько энергии выделяется в данной цепной ядерной реакции?
  2. Можно ли контролировать цепную ядерную реакцию?
  3. Следует ли использовать неконтролируемые ядерные реакции в военных целях?
  4. Каков период полураспада отходов ядерной реакции?

3.

Каковы три условия, при которых классическая физика дает прекрасное описание нашей Вселенной?

    1. Материя движется со скоростью менее 1 процента от скорости света
    2. Обрабатываемые предметы должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
    3. Задействованы сильные электромагнитные поля.
    1. Материя движется со скоростью менее 1 процента скорости света.
    2. Обрабатываемые предметы должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
    3. Речь идет только о слабых гравитационных полях.
    1. Материя движется с огромной скоростью, сравнимой со скоростью света.
    2. Обрабатываемые объекты достаточно большие, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
    3. Задействованы сильные гравитационные поля.
    1. Материя движется с огромной скоростью, сравнимой со скоростью света.
    2. Объекты достаточно большие, чтобы их можно было увидеть в самый мощный телескоп.
    3. Речь идет только о слабых гравитационных полях.

4.

Почему греческое слово «природа» подходит для описания области физики?

  1. Физика — это естествознание, изучающее жизнь и живые организмы на обитаемых планетах, таких как Земля.
  2. Физика — это естественная наука, изучающая законы и принципы нашей Вселенной.
  3. Физика — это физическая наука, изучающая состав, структуру и изменения материи в нашей Вселенной.
  4. Физика — это социальная наука, изучающая социальное поведение живых существ на обитаемых планетах, таких как Земля.

5.

Какой аспект Вселенной изучает квантовая механика?

  1. объектов на галактическом уровне
  2. предметов на классическом уровне
  3. объектов на субатомном уровне
  4. объектов на всех уровнях, от субатомного до галактического

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Используйте вопросы «Проверьте свое понимание», чтобы оценить усвоение учащимися целей обучения по разделам.Если учащиеся борются с определенной целью, «Проверьте свое понимание» поможет определить источник проблемы и направит учащихся к соответствующему содержанию.

Что такое физика и почему это важно?

А. Физика. Определение

Изучая физику и обсуждая ее, мы уделяем большое внимание энергии, ключевому элементу науки. Чтобы лучше понять эту связь, полезно обратиться к твердому рабочему определению физики.

Физика. Наука, в которой материя и энергия изучаются как по отдельности, так и в сочетании друг с другом.

И более подробное рабочее определение физики может быть следующим: наука о природе или наука о природных объектах, которая имеет дело с законами и свойствами материи и силами, которые на них действуют. Довольно часто физика концентрируется на силах, воздействующих на материю, то есть гравитации, тепле, свете, магнетизме, электричестве и других.

Б.Физика. Ориентация

Поскольку физика использует элементы других областей наук, например биологии и химии, она имеет репутацию более сложной, чем другие науки.

Физика, в отличие от натурфилософии (с которой она была объединена до 19 -го века), опирается на научные методы для описания мира природы.

Чтобы понять фундаментальные принципы Вселенной, физика использует многие работы из других естественных наук.Из-за этого наложения явления, изучаемые в физике (например, сохранение энергии), являются общими для всех материальных систем. Конкретные способы их применения к энергии (отсюда и к физике) часто называют «законами физики».

Поскольку все остальные естественные науки — биология, химия, геология, материаловедение, медицина, инженерия и другие — работают с системами, которые подчиняются законам физики, физику часто называют «фундаментальной наукой».

В качестве примера того, как законы физики применимы ко всем другим наукам, рассмотрим, что химия, наука о материи, изучающая атомы и молекулы, соответствует теориям квантовой механики, термодинамики и электромагнетизма, чтобы производить химические соединения. .

C. Физико-математические науки

В целом, физика тесно связана с математикой, поскольку она обеспечивает логическую структуру, в которой могут быть сформулированы физические законы и количественно оценены их предсказания. Многие определения, модели и теории физики выражаются с помощью математических символов и формул.

Основное различие между физикой и математикой состоит в том, что в конечном итоге физика занимается описанием материального мира, тогда как математика сосредоточена на абстрактных логических схемах, которые могут выходить за пределы реального мира.

Поскольку физика концентрируется на материальном мире, она проверяет свои теории с помощью процесса, известного как наблюдение или эксперимент. Теоретически может показаться, что относительно легче определить, где заканчивается физика и начинается математика. Однако в действительности такое четкое различие существует не всегда. Следовательно, серые области между физикой и математикой обычно называют «математической физикой».

И инженерия, и технология тоже связаны с физикой. Например, электротехника изучает практическое применение электромагнетизма.Вот почему вы довольно часто можете обнаружить, что физика участвует в строительстве мостов или в создании электронного оборудования, ядерного оружия, лазеров, барометров и других ценных измерительных устройств.

Д. Физика. Диапазон полей

Хотя нет однозначных ответов на вопрос, является ли физика более сложной, чем другие науки, можно с уверенностью сказать, что у физики явно больше разделов, как традиционных, так и современных.

Возьмем, к примеру, ряд существующих традиционных разделов физики: акустику, оптику, механику, термодинамику и электромагнетизм.А есть еще те, которые все еще считаются современными расширениями: атомная и ядерная физика, криогеника, физика твердого тела, физика элементарных частиц и физика плазмы.

Ниже приводится далеко не полный список головокружительного разнообразия дисциплин, существующих в физике:

  • Акустика. Изучение звука и звуковых волн.
  • Астрономия. Исследование космоса.
  • Астрофизика. Исследование физических свойств космических объектов.
  • Атомная физика. Изучение атомов, в частности электронных свойств атома.
  • Биофизика. Изучение физики живых систем.
  • Хаос. Изучение систем с высокой чувствительностью к начальным условиям, так что небольшое изменение в начале быстро превращается в серьезные изменения в системе.
  • Химическая физика. Изучение физики химических систем.
  • Вычислительная физика. Применение численных методов для решения физических задач, для которых количественная теория уже существует.
  • Космология. Изучение Вселенной в целом, включая ее происхождение и эволюцию.
  • Криофизика, криогеника и физика низких температур. Изучение физических свойств в условиях низких температур, намного ниже точки замерзания воды.
  • Кристаллография. Изучение кристаллов и кристаллических структур.
  • Электромагнетизм. Изучение электрического и магнитного полей, которые являются двумя аспектами одного и того же явления.
  • Электроника. Исследование потока электронов в цепи.
  • Гидродинамика и гидромеханика. Изучение физических свойств «жидкостей», конкретно определяемых в данном случае как жидкости и газы.
  • Геофизика. Изучение физических свойств Земли.
  • Физика высоких энергий. Изучение физики в системах с чрезвычайно высокими энергиями, в основном в рамках физики элементарных частиц.
  • Физика высоких давлений. Изучение физики в системах с чрезвычайно высоким давлением, в основном связанных с гидродинамикой.
  • Лазерная физика. Исследование физических свойств лазеров.
  • Математическая физика. Дисциплина, в которой строгие математические методы применяются для решения задач, связанных с физикой.
  • Механика. Исследование движения тел в системе отсчета.
  • Метеорология и физика погоды. Физика погоды.
  • Молекулярная физика. Изучение физических свойств молекул.
  • Нанотехнологии. Наука о построении схем и машин из одиночных молекул и атомов.
  • Ядерная физика. Изучение физических свойств атомного ядра.
  • Оптика и световая физика. Изучение физических свойств света.
  • Физика элементарных частиц. Изучение элементарных частиц и сил их взаимодействия.
  • Физика плазмы. Исследование вещества в плазменной фазе.
  • Квантовая электродинамика. Изучение того, как электроны и фотоны взаимодействуют на квантовомеханическом уровне.
  • Квантовая механика и квантовая физика. Изучение науки, где становятся актуальными мельчайшие дискретные величины или кванты материи и энергии.
  • Квантовая оптика. Применение квантовой физики к свету.
  • Квантовая теория поля. Применение квантовой физики к полям, включая фундаментальные силы Вселенной.
  • Квантовая гравитация. Применение квантовой физики к гравитации и объединение гравитации с другими взаимодействиями фундаментальных частиц.
  • Относительность. Изучение систем, демонстрирующих свойства теории относительности Эйнштейна, которая обычно предполагает движение со скоростью, очень близкой к скорости света.
  • Статистическая механика. Изучение больших систем путем статистического расширения знаний о меньших системах.
  • Теория струн и теория суперструн. Изучение теории, согласно которой все фундаментальные частицы являются колебаниями одномерных струн энергии в многомерной вселенной.
  • Термодинамика. Физика тепла.

Причина, по которой появилось так много подразделов, заключается в том, что физика в целом представляет собой такую ​​обширную область исследования. Чтобы ученые могли проводить значимые исследования и исследования, они должны сузить круг своих интересов.Сужая область своих исследований, они избегают перегруженности объемом знаний и данных, которые существуют во всем естественном (физическом) мире.

E. Методы производства энергии

Энергия и работа (энергия, определяемая как способность выполнять работу) занимают важную часть нашей обычной жизни и являются одними из самых важных тем в физике. Работа, с точки зрения определения, связанного с физикой, имеет совершенно иное значение, чем тип работы, о котором мы обычно думаем.В физике работа выполняется только тогда, когда объект перемещается в направлении приложенной силы.

Энергия в физике определяется как способность выполнять работу. Не кажется ли это логичным? Чем больше у вас энергии, тем больше работы вы можете выполнить и тем больше действий вы можете выполнить. С точки зрения используемой формулы, работа — это сила, приложенная к пройденному расстоянию, или W = Fxd.

F. История физики

а. Доисторическая эра

Вплоть до промышленной революции в конце 1800-х годов у людей была ограниченная потребность в энергии.С помощью огня для приготовления пищи, обогрева и безопасности, а также животных для силы и транспортировки люди действительно смогли удовлетворить большинство своих основных потребностей.

В качестве энергии люди использовали не только огонь и животные, но и ветер. Эти знания были приобретены около 1200 г. до н.э. в Полинезии, где люди научились использовать ветер в качестве метода движения своих лодок с помощью отростка , известного как «парус».

Примерно 5000 лет назад китайцы первыми применили магнитную энергию.Они полагались на притяжение магнитных железных объектов, чтобы направлять навигаторов и, благодаря магнитному полю Земли, указывать им направление на север.

Около 2500 лет назад греческому философу Фалесу приписывают открытие электрической энергии. Потерев мех о кусок янтаря, Фалес обнаружил, что пыль и другие частицы прилипают к янтарю с так называемой электростатической силой.

И в 1000 г. до н.э., поскольку он горит медленнее и дольше дров и дает больше тепла, китайцы начали использовать уголь в качестве источника топлива.Это топливо, признанное превосходным источником энергии, было введено в западный мир Марко Поло в 1275 году и использовалось в течение бесчисленных столетий после этого.

г. 17 Век

В 1600-х годах Нидерланды обнаружили запасы угля и начали поставлять его странам по всей Европе. В 1700-х годах Англия открыла собственный источник угля и стала производителем и поставщиком угля в соседние страны. За короткое время Англия расширила свой маршрут сбыта, став крупнейшим в мире производителем и поставщиком.В этот же период европейцы обнаружили, что солнечное тепло позволяет выращивать растения в помещении в холодные месяцы.

г. 18 Век

В 1700-х годах из-за уменьшения засаженных деревьями территорий основным источником топлива для Англии был уголь. Еще один вклад в спрос на уголь в то время было изобретение паровой машины. Разработанный для откачки воды из угольных шахт, более поздние модели паровых машин имели увеличенное количество цилиндров и более эффективный метод сжигания угля.

В конце концов, недавно улучшенная паровая машина послужила основным толчком для промышленной революции.

г. 19 век

В течение 19 -го -го века промышленная революция шла полным ходом. Начавшаяся в Англии и продвигавшаяся по Европе, Северной Америке и остальному миру, Revolution была отмечена массовым производством, побочным продуктом недавно представленного оборудования. С появлением такой процветающей механизированной деятельности возникла беспрецедентная потребность в дополнительных источниках энергии.

Наряду с паровым двигателем, первый пароход дебютировал в 1807 году, а первый паровоз — в 1804 году. И снова с появлением новых технологий возросла потребность в производительных двигателях большой мощности и более недорогих формах энергии.

В ту эпоху ученые знали, что поставки энергии ограничены, и начали искать альтернативные источники, например, солнечную энергию, гидроэлектрическую энергию и геотермальную энергию. Их беспокоила не только нехватка угля, но и остаточные эффекты (выхлопные газы и т. Д.), Вызванные горючими продуктами угля (ископаемое топливо).

В середине 1800-х годов альтернативные источники энергии были предметом многочисленных исследований, исследований и экспериментов. Мушу разработал солнечную энергию в 1860 году. Хотя Чарльз Телье, Джон Эрикссон, Генри Э. Уилси, Энеас, и др. ., Все внесли заметные улучшения в солнечный двигатель; он не получил коммерческого успеха, потому что уголь был широко доступен и значительно дешевле.

В 19 -е годы -х гг. В число дополнительных энергетических объектов входят:

  • Строительство малых гидроэлектростанций.
  • Ветряные мельницы, разработанные для производства электроэнергии.
  • Геотермальная энергия, используемая для обогрева домов и к концу века способная внести свой вклад в производство электроэнергии.
  • Нефть, добытая из земли в Титусвилле, штат Пенсильвания.
  • Двигатели внутреннего сгорания, установленные на автомобилях.
  • Нефть постепенно стала доминировать в угольной промышленности.
  • Французский изобретатель Ленуар изобрел двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовался бензин.
  • Немецкие изобретатели Даймлер и Бенц изобрели первый автомобиль, установив двигатель на тележку.
  • Впоследствии Генри Форд начал массовое производство автомобилей, что сделало их обычным средством передвижения.
  • Братья Райт изобрели первый самолет с бензиновым двигателем и, таким образом, положили начало эре более быстрых и дешевых перевозок.

Современные времена

В наше время некоторые из тех же источников энергии, которые ученые исследовали в 19 веках, такие как солнечная, ветровая, гидроэлектроэнергия, биомасса и геотермальная энергия, теперь рассматриваются как возможные альтернативные варианты.Другой современный источник энергии — ядерная энергия. Несмотря на широкое распространение, многие ученые обеспокоены последствиями, связанными с остаточными эффектами ядерной энергии, одним из которых является влияние радиоактивности на окружающую среду.

Из-за некоторых злоупотреблений и эксплуатации мир исчерпал многие из давно установленных источников энергии. В этих все более ужасающих обстоятельствах ученые продолжают искать альтернативные формы энергии. Их основные требования — найти источники энергии, которые не вредны для окружающей среды, доступны, недороги и доступны в массовых количествах.

голов по физике (USLI)

Цель специализации «Физика» — дать студентам широкое представление о физических принципах Вселенной, помочь им развить критическое мышление и навыки количественного мышления, дать им возможность творчески и критически относиться к научным проблемам и экспериментам, а также обеспечить обучение студентов, планирующих карьеру в области физики и физических наук в широком смысле, включая тех, чьи интересы лежат в области исследований, обучения в школах до 12 лет или в колледжах, рабочих мест в промышленности или других секторов нашего общества.

Специалисты по физике завершают программу, которая включает в себя базовую курсовую работу для младших классов по математике и физике и углубленную курсовую работу для старших классов; эти темы традиционно широко делятся на классическую и современную физику. Некоторые основные темы, такие как специальная теория относительности, классическая оптика и классическая термодинамика, рассматриваются только в курсах более низкого уровня. Другие темы, такие как квантовая механика, классическая механика, статистическая механика, термодинамика, электричество и магнетизм, а также оптика, рассматриваются сначала на вводном уровне в нижнем отделе, а затем на более продвинутом уровне в курсах высшего уровня.Дополнительные курсы по выбору предоставляют студентам возможность углубить свои знания в конкретных областях (таких как атомная физика, физика конденсированного состояния, оптические свойства, квантовые вычисления, биофизика, астрофизика, физика элементарных частиц). Двухсеместровый лабораторный курс для старших классов предусматривает дополнительное обучение электронным приборам, схемам, компьютерному интерфейсу для экспериментов, независимому проектированию и экспериментам с передовыми лабораторными методами. Этот лабораторный курс также предоставляет заключительный опыт основным курсам, объединяя знания, полученные на разных курсах, и устанавливая связь между теоретическими знаниями, преподаваемыми в учебниках / задачах домашних заданий, и экспериментальными основами этих знаний.Действия вне класса, такие как независимые исследования или учеба, позволяют учащимся дальше развивать свои знания и понимание.

Студент, окончивший Беркли по специальности «физика», будет понимать классическую и современную физику (как указано в требованиях к курсу ниже), а также приобретет навыки применения принципов к новым и незнакомым задачам. Их понимание должно включать способность анализировать физические проблемы (часто называемые «словесными проблемами»), уметь выводить и доказывать уравнения, которые описывают физику Вселенной, понимать смысл и ограничения этих уравнений, а также иметь как физические, так и численное понимание физических проблем (например,грамм. уметь делать оценки по порядку величины, анализировать физические ситуации, применяя общие принципы, а также с помощью расчетов типа учебника). У них также будут развиты базовые лабораторные, библиотечные и вычислительные навыки, они будут знакомы с важными историческими экспериментами и тем, что они открывают, и смогут делать письменные и устные презентации по поставленным перед ними физическим проблемам.

По окончании учебы специалисты по физике будут обладать набором фундаментальных компетенций, которые основаны на знаниях, производительности / навыках и аффективны.

На основе знаний

У наших выпускников будет:

  1. Обладает обширными знаниями по основам в основных областях физики (квантовая механика, классическая механика, статистическая механика, термодинамика, электричество и магнетизм, оптика и специальная теория относительности). Это не относится к знанию конкретных фактов, а скорее к практическому знанию фундаментальных концепций, которые затем могут быть применены различными способами для понимания или предсказания того, что делает природа.
  2. Понимание физических принципов, необходимых для анализа физического вопроса или темы, включая те, которые ранее не рассматривались, а также количественное и качественное физическое понимание этих принципов, чтобы понять или предсказать, что происходит. Это включает в себя понимание того, какие уравнения и числовые физические константы необходимы для описания и анализа проблем фундаментальной физики.
  3. Набор основных физических констант, которые позволяют им делать простые численные оценки физических свойств Вселенной и ее составляющих.
  4. Понимание того, как работают современные электронные приборы, и как классические и современные эксперименты используются для раскрытия основных физических принципов Вселенной и ее составляющих.
  5. Понимание того, как использовать компьютеры для сбора и обработки данных и как использовать имеющееся программное обеспечение в качестве инструмента для анализа данных.
  6. Понимание современных инструментов библиотечного поиска, используемых для поиска и извлечения научной информации.

На основе результатов / навыков

Наши выпускники смогут:

  1. Грамотно решайте проблемы, определяя существенные части проблемы и формулируя стратегию решения проблемы.Оцените численное решение проблемы. Примените соответствующие методы, чтобы прийти к решению, проверить правильность решения и интерпретировать результаты.
  2. Объясните физическую проблему и ее решение двумя словами и соответствующими конкретными уравнениями как экспертам, так и неспециалистам.
  3. Понимать цель физического лабораторного эксперимента, правильно проводить эксперименты, надлежащим образом записывать и анализировать результаты.
  4. Используйте стандартное лабораторное оборудование, современные приборы и классические методы для проведения экспериментов.
  5. Знайте, как разработать, сконструировать и завершить независимый научно обоснованный проект (особенно в области электроники).
  6. Знайте и соблюдайте соответствующие процедуры и правила для безопасной работы в лаборатории.
  7. Сообщать концепции и результаты своих лабораторных экспериментов с помощью эффективных навыков письма и устного общения.

Действующий

Наших выпускников будет:

  1. Иметь возможность успешно преследовать карьерные цели в аспирантуре или профессиональных школах, в научной карьере в правительстве или промышленности, в педагогической карьере или в соответствующей карьере.
  2. Уметь творчески мыслить о научных проблемах и их решениях, разрабатывать эксперименты и конструктивно подвергать сомнению результаты, с которыми они представлены, независимо от того, опубликованы ли эти результаты в газете, в классе или где-то еще.

Основная основная учебная программа по физике предназначена для достижения следующих целей:
Для развития широкого понимания физических принципов Вселенной требуется детальное знание широкого круга тем, что требует хорошо структурированной программы курсов.Программа также предназначена для развития сильных математических и аналитических навыков, хороших лабораторных навыков и эффективных навыков письменного и устного общения, а также знания использования компьютера и программирования на научном уровне в форме MatLab и LabView, а также базового библиотечного поиска. инструменты. Программа также предназначена для того, чтобы дать студентам возможность разрабатывать и строить свои собственные экспериментальные проекты. Программа имеет три обязательных уровня или яруса. (Подробные описания курсов можно найти на курсах низшего уровня; курсах высшего уровня)

Уровень 1:
Предварительные требования для младших классов к основной специальности состоят из пяти курсов для младших классов, выбранных для ознакомления студентов с фундаментальными понятиями математики и физики, необходимыми для работы в старших классах:

  • Физика 5A-5C или 7A-7C и физика 89
  • Math 1A-1B и Math 53 *
    * Примечание: Math N53 не принимается Physics для соответствия Math 53.

Последовательности 5A, 5B и 5C Physics 5 заменили курсы отличия 7-й серии. 5-я серия рекомендуется для студентов с продвинутым зачетом. Они охватывают те же темы, но используют более сложную математику и обеспечивают более четкое введение и подготовку к курсам уровня 2.

Уровень 2:
Основные курсы для старших классов предназначены для обучения наших студентов фундаментальным знаниям, ожидаемым от специальностей физики, в частности квантовой механики, классической механики, статистической механики, термодинамики, электричества и магнетизма, оптики и специальной теории относительности.Эти курсы также обучают навыкам решения проблем, включая умение ставить задачи и делать численные оценки. Оценки за домашние задания и экзамены являются основной системой оценки успеваемости на этом уровне. Вот эти курсы:

  • Аналитическая механика (105)
  • Квантовая механика (137A-137B)
  • Электромагнетизм и оптика (110A)
  • Статистическая и теплофизика (112)

Уровень 3:
Эти продвинутые курсы знакомят с областями современной физики и современными экспериментальными методами, а также служат «краеугольным камнем» программы.

Требуется один или несколько из следующих курсов (называемых «факультативами»). Цель факультативных курсов — познакомить учащихся с более специализированными темами, опираясь на знания, полученные в рамках основной учебной программы, обычно требующие знаний, извлеченных из всех основных курсов для старших классов, для понимания сложных тем современной физики. Эти курсы также дают студентам то, что обычно является их первым взглядом на возможные направления карьерного исследования. Курсы обычно требуют письменных заданий и экзаменов.Оценки за эти задания и экзамены являются основным средством оценки успеваемости на этом уровне.

  • Электромагнетизм и оптика (110B)
  • Физика элементарных частиц (129)
  • Квантовая и нелинейная оптика (130)
  • Современная атомная физика (138)
  • Специальная и общая теория относительности (139)
  • Физика твердого тела (141A (и / или B))
  • Введение в физику плазмы (142)
  • Элективная физика: специальные темы (151)
  • Релятивистская астрофизика и космология (C161)
  • Принципы молекулярной биофизики (177)
  • Байесовский анализ данных и машинное обучение для физических наук (188)
  • Квантовая информатика и технологии (C191)

Студенты могут запросить курс на другом факультете для использования в качестве факультатива; для этого требуется одобрение главного консультанта бакалавриата.На этих курсах студенты применяют и расширяют знания от основных курсов до современных тем физики.

2. Требуется цикл курса Advanced Laboratory Physics (111) из 6-9 единиц.

В первой части этого курса студенты работают в небольших группах, чтобы изучить методы электронного оборудования, цифровых и аналоговых схем, компьютерного интерфейса для экспериментов (через LabView, стандартную программу экспериментальной лаборатории), и им предлагается разработать и реализовать самостоятельный проект по собственному выбору.Студенты также учатся использовать MatLab для анализа данных.

Во второй половине последовательности ученики снова работают в небольших группах, чтобы выполнить четыре эксперимента, выбирая из множества различных экспериментов, начиная от классических работ, получивших Нобелевскую премию (например, «Оптическая накачка» или «Эффект Мёссбауэра»), до областей, представляющих текущий исследовательский интерес (например, нелинейная динамика и лазерное манипулирование атомами). Продвинутая лаборатория Дональда А. Глейзера предоставляет практически уникальную возможность для физических факультетов по всей стране проводить такие эксперименты и позволяет студентам разрабатывать свои собственные идеи для проверки.

Студенты делают письменные и устные отчеты о своей работе, приобретая опыт в распространении научных результатов. Эта продвинутая лабораторная работа требует от студентов обобщения концепций из многих различных основных курсов и связывает свои теоретические знания, полученные в ходе домашних заданий и экзаменов на предыдущих курсах, с экспериментальным обоснованием этих знаний. Цель Physics 111 — Advanced Laboratory — дать студентам возможность применить знания, полученные на основных курсах, для понимания реальных и важных физических явлений.Он также обучает студентов экспериментальным методам, необходимым для исследований как на промышленных, так и на академических должностях.

Именно из выступлений студентов в Продвинутой лаборатории Глейзера (Физика 111) мы видим, насколько хорошо студенты могут собрать воедино весь материал, который они изучили на курсах, и применить его к реальным физическим задачам, которые во многих случаях являются совершенно новыми. им. Здесь студенты узнают, что они стали физиками, и развивают уверенность, чтобы перейти к следующему этапу своей карьеры.

Многие студенты также участвуют в независимых исследованиях или исследовательских проектах в лабораториях физического факультета. Такие проекты обеспечивают наилучшую подготовку к применению классных знаний в реальных экспериментах и ​​позволяют дальнейшее развитие творческого процесса, который так необходим исследователю.

Меры оценки

Благодаря хорошо структурированной программе успеваемость по каждому основному и факультативному курсу позволяет постоянно отслеживать успеваемость студентов на протяжении большей части основной специальности.Мы также разрабатываем средства оценки окончательных результатов основной специальности, используя структуру Продвинутой лаборатории, чтобы обеспечить общую оценку, которая носит более глобальный характер, чем экзамены по каждому курсу.

Дополнительно физический факультет:

  1. Ежегодно проводит выходные собеседования для всех наших выпускников пенсионного возраста, которые мы поощряем их проходить, ежегодно предоставляя обед «выпускников для выпускников». Эти выходные собеседования помогают нам понять, как студенты думают о программе и своих карьерных планах после окончания учебы.Также кафедра периодически (каждые 5-10 лет) проводит более обширные опросы по нашим специальностям.
  2. Академическое консультирование консультантов факультета. Студенты должны каждый семестр встречаться со своим научным руководителем факультета, чтобы обсудить свою программу и прогресс по основной специальности. Есть руководитель факультета, советник по программе бакалавриата, а также сотрудник отдела по работе со студентами бакалавриата, который встречается с консультантами факультета и студентами, чтобы собрать информацию.
  3. Физический факультет распределяет, собирает и анализирует оценки курсов, выполненные студентами по каждому предложенному курсу каждый семестр, чтобы отслеживать успешность учебной программы.

Для оценки результатов этих инструментов оценки существуют два постоянных ведомственных комитета, которые контролируют программу и рассматривают необходимость изменений в курсах или в основной. Один комитет отвечает за курсы нижнего уровня, а другой — за программу высшего дивизиона. Отзывы о вышеупомянутых оценках / интервью дают полезный вклад при рассмотрении изменений основных требований.

Существует недавно созданный комитет USLI, который отвечает за разработку вопросов и инструментов оценки для использования в Advanced Lab, а также за анализ данных из устных и письменных отчетов, чтобы гарантировать, что Департамент физики продолжает выполнять поставленные цели обучения.Комитет USLI подводит итоги своей оценочной деятельности в конце каждого учебного года и затем сообщает о результатах физическому факультету через его председателя. Комитет USLI представит рекомендации о том, как можно укрепить майор. Департамент примет решение и проведет соответствующие последующие действия по всем оценочным мероприятиям.

Достижение образовательных целей

Необходимо внимательно относиться к эволюции знаний в области физики. Многие из тем, которые мы сейчас преподаем на курсах начального уровня, ранее входили в компетенцию аспирантур.Эти изменения обычно вносятся постепенно, по мере того, как меняются учебники или преподаватели добавляют новый материал, что приводит к вопросу о том, какие традиционные темы не учитываются, чтобы выделить время для нового материала. Вышеупомянутые комитеты рассматривают эти вопросы или проблемы, связанные с ними, и дают рекомендации для рассмотрения преподавателями. Описанные выше оценки предназначены для обеспечения того, чтобы образовательные цели, поставленные физическим факультетом, и впредь соответствовали нашим высоким стандартам программы бакалавриата по физике.Физический факультет Калифорнийского университета в Беркли входит в число лучших программ в стране, что свидетельствует об успехе нашей программы, и мы намерены сохранять бдительность в мониторинге нашей программы и в поиске путей ее улучшения.

Зачем изучать физику? | Физический факультет

Цель физики — понять, как все работает, исходя из первых принципов. Мы предлагаем курсы физики, которые соответствуют целому ряду целей, которые могут быть поставлены студентами при изучении физики — прохождение курсов по выбору для расширения своей научной грамотности, выполнение требований для получения специализации в области естественных наук или инженерии или получение степени в области физики или инженерии. физика.Курсы физики раскрывают математическую красоту Вселенной на масштабах от субатомного до космологического. Изучение физики укрепляет навыки количественного мышления и решения проблем, которые ценны в областях, помимо физики.

Студенты, изучающие физику или инженерную физику, готовы работать над передовыми идеями в науке и технологиях, в академических кругах, правительстве или частном секторе. Карьера может быть сосредоточена на фундаментальных исследованиях в области астрофизики, космологии, физики элементарных частиц, атомной физики, фотоники или физики конденсированного состояния или в более прикладных исследованиях в таких областях, как возобновляемые источники энергии, квантовая информатика, разработка материалов, биофизика или медицинская физика.Карьера также может включать преподавание, медицину, право (особенно интеллектуальную собственность или патентное право), научную литературу, историю науки, философию науки, научную политику, энергетическую политику, правительство или менеджмент в технических областях.

Специальности по физике и инженерной физике являются отличной подготовкой практически для любой карьеры, потому что они учат студентов, как анализировать сложные проблемы, и дают студентам сильную количественную базу, которую можно применить в любой технической области.

Вы можете найти информацию о карьере в области физики, инженерной физики и смежных областях на этих очень полезных сайтах:

С чего начать?

  • Студенты, которые никогда раньше не изучали физику и хотели бы получить широкое представление, должны рассмотреть один из вводных семинаров по физике или прикладной физике. Тем, кто интересуется астрономией и астрофизикой, может понравиться PHYSICS 15, 16 или 17, предназначенная для нетехнических специальностей.
  • Студенты, планирующие карьеру в области науки или техники, должны начать с серии PHYSICS 20, 40 или 60.
  • Серия PHYSICS 20 не предполагает никаких знаний в области математического анализа и предназначена в первую очередь для тех, кто специализируется на биологических науках. Тем не менее, таким студентам, которые имеют баллы AP по математическому анализу или физике, следует рассмотреть возможность прохождения серии PHYSICS 40, которая обеспечит глубину и акцент на решении проблем, которые имеют большое значение в биологических исследованиях, которые сегодня включают в себя значительные технологии, основанные на физике.
  • Для тех, кто намеревается получить специализацию в области инженерии или физических наук или просто желает получить более высокий уровень знаний в области физики, кафедра предлагает серии PHYSICS 40 и 60. Любой из них удовлетворит требования начального уровня по физике любого специалиста Стэнфордского университета.
  • Серия PHYSICS 60 предназначена для тех, кто уже прошел курс физики на уровне PHYSICS 41 и 43 или, по крайней мере, имеет серьезный опыт работы в области механики, некоторый опыт в области электричества и магнетизма и сильный опыт в области вычислений.Чтобы определить, готовы ли вы к PHYSICS 61, пройдите диагностику Physics Placement Diagnostic.
  • Серия PHYSICS 40 начинается с механики в Зимнем квартале, электричества и магнетизма в весеннем квартале и термодинамики и оптики в осеннем квартале.
  • В то время как мы рекомендуем, чтобы большинство учеников начинали последовательность с механики (PHYSICS 41) в Зимнем квартале, те, кто хорошо подготовился по физике в средней школе (например, набрал не менее 4 баллов на экзамене Physics Advanced Placement C), могут быть готовы. чтобы начать последовательность с PHYSICS 45 в Осеннем квартале.Вам индивидуально посоветуют выбрать лучшую точку входа в серию PHYSICS 40 или 60 на основе вашей оценки в диагностике размещения по физике, доступной в Интернете.

1. ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ

Физика относится к более широкой категории науки. Наука делится на три области: биология, физика и химия. Основная цель этих предметов — изучить и попытаться понять Вселенную и все, что в ней.

Что такое физика?

Физика — это отрасль науки, изучающая материю и ее связь с энергией.

Это исследование физических и природных явлений вокруг нас. Примерами этих явлений являются образование радуги, возникновение затмения, падение вещей сверху вниз, причина захода и восхода солнца, образование тени и многое другое.

Физика как предмет делится на шесть основных разделов, как описано ниже.

i) Механика
В этом разделе в основном рассматриваются движения под действием сил. В этом разделе мы подробно рассмотрим аспекты линейных, круговых и колебательных движений, а также движения жидкостей

ii) Геометрическая оптика

В этом разделе подробно рассматривается поведение света в различных средах.

iii) Электричество и магнетизм
Эта ветвь рассматривает взаимодействие между электрическими полями и магнитными полями и приложения таких взаимодействий.

iv) Термодинамика
Эта ветка рассматривает, как тепло как форма энергии преобразуется в / из других форм энергии.

v) Атомная физика
Эта область исследований нацелена на поведение частиц ядра и сопутствующие изменения энергии.

vi) Волны
Он занимается изучением распространения энергии в пространстве.

Взаимосвязь между физикой и другими предметами
Физика не только связывает оставшиеся два научных предмета, но также поддерживает отношения с другими предметами.

  1. ФИЗИКА И МАТЕМАТИКА Физика тесно связана с математикой. Многие концепции физики выражаются математически. Многие формулы физики выражаются математически.
  2. ФИЗИКА И БИОЛОГИЯ Знания о линзах в физике используются при создании микроскопов, используемых для изучения клеток в биологии.Физические формулы используются при расчете увеличения с помощью микроскопов. Знание рычагов помогает объяснить движение в биологии.
  3. Физика и химия. Физика помогла объяснить силы внутри атомов и, следовательно, атомную структуру. Именно эта структура атома определяет реакционную способность атома, как объясняется в химии.

4. Физика и религия Упорядоченность систем во вселенной восходит к Создателю.Многие чудеса творения включают аномальное расширение воды — радугу.

5. Физика и география Точное использование инструментов и физических концепций может установить погодные условия и объяснить формирование осадков, колебания давления. Использование магнитных свойств магнитного камня и других материалов помогает мореплавателям определять направление.

6. Физика и технологии.

Некоторые области техники, требующие знания физики:
В медицине.
Рентгеновские лучи, лазеры, сканеры, являющиеся приложениями физики, используются в диагностике и лечении заболеваний.

связь

Спутниковая связь, Интернет, оптоволокно — это приложения Интернета, которые требуют прочного физического знания.

Для промышленного применения

В области защиты физика имеет множество приложений, например: боевые самолеты, бомбы с лазерным наведением, обладающие высокой точностью.

В индустрии увлечения знания физики используются для смешивания различных цветов для получения желаемых сценических эффектов

Некоторые возможности карьерного роста в Кении

  • Строительная экономика
  • Управление строительством
  • Медицина и хирургия
  • Стоматологическая хирургия
  • Аптека
  • Уход
  • Технологии производства
  • Химическое и технологическое машиностроение
  • Гражданское производство
  • Химическое и технологическое машиностроение
  • Гражданское строительство
  • Электротехника и электроника
  • Машиностроение

Некоторые курсы, предлагаемые колледжами и университетами, требуют знания физики.

Некоторые курсы предлагаются на университетском уровне.

  1. Бакалавр архитектуры.
  2. Бакалавр фармации.
  3. Бакалавр медицины.
  4. Бакалавр стоматологической хирургии.
  5. Бакалавр наук (сестринское дело)
  6. Бакалавр педагогических наук (физика)
  7. Бакалавр наук (электротехника и электроника)
  8. Бакалавр ветеринарной медицины.

Некоторые курсы предлагаются на уровне колледжа.

  1. Диплом по строительству.
  2. Диплом инженера-механика.
  3. Диплом по физиотерапии.
  4. Диплом инженера-электрика.
  5. Диплом по информатике.

ЛАБОРАТОРИЯ

Лаборатория — это помещение, предназначенное для проведения научных экспериментов и практических работ.

Основные правила лаборатории

Некоторые правила поведения студентов в лаборатории перечислены ниже.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.