Физика – наука о Природе. Основная цель физики – описать фундаментальные закономерности нашего Мира так, чтобы можно было понимать, как действует тот или иной объект изучения, и прогнозировать его поведение. Физика – это язык, на котором ученые-физики «разговаривают» с Природой.
Труден ли этот язык для начинающего? Как и любой иностранный язык для того, кто впервые берется за его изучение. Многие школьники и студенты испытывают трудности в изучении программы по физике только потому, что пытаются осмыслить содержание этого предмета на родном языке, вместо того, чтобы изучать язык самой физики. Физика становится не самым трудным предметом для тех, кто учится мыслить и разговаривать на её языке.
Как и в обычном языке, в физике есть свои символы – физические величины, свои правила – физические законы, свои слова – соотношения между физическими величинами и т.д. Но, всё-таки, язык физики существенно отличается от привычных человеческих языков, и в этом-то и есть основная трудность его понимания.
Каковы же главные особенности языка физики?
1. Представление информации в числовой форме
Любой объект описывается в физике числовыми характеристиками – физическими величинами. Физические величины выступают как бы в роли представителя данного объекта.
Пояснения. Вот как описывает поэт (М.В. Ломоносов) звёздную ночь на русском языке:
Открылась бездна, звезд полна;
Звездам числа нет, бездне дна.
Если бы М.В. Ломоносов попытался описать то же самое как физик, то он бы указал температуру воздуха (число), давление воздуха (число), спектр излучения звёздного неба (совокупность чисел) и т.д.
Для физика основная физическая величина данного объекта – это и есть как бы сам объект (точнее, его модель). Например, изучая электростатические поля с различными напряжённостями: E1, E2,… , физики так и говорят: поле E1, поле E2 и т.д.
Вывод. Приступая к изучению любого физического явления, следует, прежде всего, установить, какие физические величины используются для его описания.
2. Физическое моделирование
Как уже указывалось, математику невозможно применять для описания реальных объектов. Представление информации об объекте в числовой форме приводит к необходимости упрощать предмет изучения. Поэтому в физике рассматриваются не сами природные объекты, а их упрощенные модели.
Пояснения. Про полёт космического корабля к далёкой планете можно написать целый роман. Но в физике при изучении траектории полёта космический корабль может рассматриваться упрощённо как материальная точка. При изучении его ориентации в космическом пространстве тот же корабль может рассматриваться как абсолютно твёрдое тело, при изучении вибраций – как упругое тело и т.д. Материальная точка, абсолютно твёрдое тело, упругое тело – это всё физические тела, т.е. физические модели реальных тел.
Какую именно физическую модель выбрать для описания того или иного объекта, зависит вопросов, которые мы хотим задать Природе. В науке часто используется философский принцип – «Бритва Оккама», который гласит: «Не надо изобретать сущностей сверх необходимого», что, по сути, означает: «Самое простое объяснение – самое верное». В согласии с этим принципом физическую модель получают путём отбрасывания всех черт изучаемого объекта, которые несущественны в данной задаче. Те же черты изучаемого объекта, которые важны в данной задаче, представляются в числовой форме.
Пример. По некоторому проводнику протекает постоянный электрический ток. Из всех черт проводника (цвет, запах, вкус, красота, цена, художественная ценность и т.п.) нас интересует только одна – способность создавать сопротивление протеканию электрического тока. Эта черта описывается физической величиной R – электрическим сопротивлением. Движение электронов по проводнику – это очень сложный процесс, который невозможно описать в полной мере. Но мы отбрасываем все несущественные черты этого процесса и описываем постоянный электрический ток по проводнику всего двумя физическими величинами: силой тока I и напряжением U в проводнике. Согласно закону Ома все три величины связаны между собой соотношением:
U = IR.
Вывод. Физические модели – достаточно абстрактные вещи, поэтому нет смысла пытаться мысленно представить себе образ изучаемых явлений, процессов или тел. Достаточно знать, какие физические модели изучаются, какими физическими величинами они описываются и каковы соотношения между физическими величинами в данном явлении.
3. Физические законы – основа физических теорий
Физическая теория – система знаний о физических явлениях определенной природы. Основное требование к физической теории – способность предсказывать поведение изучаемых объектов.
В основе любой физической теории лежат физические законы. Физические законы всегда являются обобщением данных опытов или наблюдений и не могут быть выведены логическим путем.
Все физические теории и лежащие в их основе законы имеют ограниченную область применения. Физическая теория считается истинной до тех пор, пока все её предсказания подтверждаются опытными данными. Если результаты какого-либо опыта расходятся с предсказаниями общепризнанной теории, то область применения данной теории ограничивается. А для устранения расхождений с опытом разрабатывается новая, более общая теория.
Пояснения. Исторически первая физическая теория – классическая механика очень точно может описывать движение обычных тел с достаточно малыми скоростями. Но в XX веке обнаружилось, что её предсказания расходятся с опытом при изучении движения тел с большими скоростями и при изучении движения микрочастиц. В связи с этим область применения классической механики была ограничена изучением движения макроскопических тел со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме.
Вывод. При изучении данной физической теории прежде всего следует усвоить законы, лежащие в её основе, и границы её применимости.
4. Опыт – критерий истины
Единственным критерием истинности того или иного утверждения в физике является его подтверждение опытными данными. Никакие правдоподобные рассуждения не принимаются в качестве доказательства. Чтобы подчеркнуть это правило, иногда говорят: физика – опытная наука!
Вывод. Для глубокого понимания физики необходимо не только усваивать опытные основания физических теорий, но и изучать методику физического эксперимента.
5. Физические величины и системы единиц
Необходимым действием физического эксперимента или наблюдения является измерение. Поскольку опыт является основанием физики, то физическая наука имеет дело только с тем, что можно измерять.
Все измеряемые физические величины объединены в систему, которую называют системой величин. Часть величин данной системы приняты в качестве основных, а остальные являются производными.
Измерять можно только те величины, для которых установлены единицы измерения. Единицы измерения основных величин можно выбирать произвольно, но после их выбора единицы производных величин определяются их размерностями – соотношениями между величинами. В результате все единицы измерения физических величин образуют единую систему единиц.
В физике известны несколько общепринятых систем единиц. В настоящее время международными стандартами рекомендуется преимущественно применять Международную систему единиц – СИ.
Пример. В механике длина L и время T приняты в качестве основных величин. А единица производной величины – скорости V определяется её размерностью:
V = L / T.
Вывод. Необходимым условием успешного освоения физики является знание физических величин, их размерностей и единиц измерения. Сравнивать между собой можно только те величины, значения которых выражены в одной и той же системе единиц.
В итоге, я так и сделала, хороший блог!
Спасибо!
Да прибудет со мной F в изучении физики!
Аминь!