Связь физики с другими науками кратко

Обновлено: 30.06.2024

Учебное пособие написано в соответствии с действующей программой курса физики для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений и предназначено для студентов высших технических учебных заведений дневной формы обучения с ограниченным числом часов по физике, с возможностью его использования на вечерней и заочной формах обучения.

Небольшой объем учебного пособия достигнут с помощью тщательного отбора и лаконичного изложения материала.

Книга состоит из семи частей. В первой части дано систематическое изложение физических основ классической механики, а также рассмотрены элементы специальной (частной) теории относительности. Вторая часть посвящена основам молекулярной физики и термодинамики. В третьей части изучаются электростатика, постоянный электрический ток и электромагнетизм. В четвертой части, посвященной изложению теории колебаний и волн, механические и электромагнитные колебания рассматриваются параллельно, указываются их сходства и различия и сравниваются физические процессы, происходящие при соответствующих колебаниях. В пятой части рассмотрены элементы геометрической и электронной оптики, волновая оптика и квантовая природа излучения. Шестая часть посвящена элементам квантовой физики атомов, молекул и твердых тел. В седьмой части излагаются элементы физики атомного ядра и элементарных частиц.

Для обозначения векторных величин на всех рисунках и в тексте использован полужирный шрифт, за исключением величин, обозначенных греческими буквами, которые по техническим причинам набраны в тексте светлым шрифтом со стрелкой.

Автор выражает глубокую признательность коллегам и читателям, чьи доброжелательные замечания и пожелания способствовали улучшению книги. Я особенно признательна профессору Касьянову В. А. за рецензирование пособия и сделанные им замечания.

ВВЕДЕНИЕ

Предмет физики и ее связь с другими науками

Окружающей вас мир, все существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю.

Неотъемлемым свойством материи и формой ее существования является движение. Движение в широком смысле слова — это всевозможные изменения материи — от простого перемещения до сложнейших процессов мышления.

Разнообразные формы движения материи изучаются различными науками, в том числе и физикой. Предмет физики, как, впрочем, и любой науки, может быть раскрыт только по мере его детального изложения. Дать строгое определение предмета физики довольно сложно, потому что границы между физикой и рядом смежных дисциплин условны. На данной стадии развития нельзя сохранить определение физики только как науки о природе.

Академик А. Ф. Иоффе (1880—1960; российский физик)* определил физику как науку, изучающую общие свойства и законы движения вещества и поля. В настоящее время общепризнано, что все взаимодействия осуществляются посредством полей, например гравитационных, электромагнитных, полей ядерных сил. Поле наряду с веществом является одной из форм существования материн. Неразрывная связь поля и вещества, а также различие в их свойствах будут рассмотрены по мере изучения курса.

Физика — наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих формах движения материи и их взаимных превращениях. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая и др.) присутствуют во всех высших и более сложных формах движения материи (химических, биологических и др.). Поэтому они, будучи наиболее простыми, являются в то же время наиболее общими формами движения материи. Высшие и более сложные формы движения материи — предмет изучения других наук (химии, биологии и др.).

Физика тесно связана с естественными науками. Эта теснейшая связь физики с другими отраслями естествознания, как отмечал академик С. И. Вавилов (1891—1955; российский физик и общественный деятель), привела к тому, что физика глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и другие естественные науки. В результате образовался ряд новых смежных дисциплин, таких, как астрофизика, биофизика и др.

Физика тесно связана и с техникой, причем эта связь имеет двусторонний характер. Физика выросла из потребностей техники (развитие механики у древних греков, например, было вызвано запросами строительной и военной техники того времени), и техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (например, в свое время задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей вызвала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физика — база для создания новых отраслей техники (электронная техника, ядерная техника и др.).

Бурный темп развития физики, растущие связи ее с техникой указывают на значительную роль курса физики во втузе: это фундаментальная база для теоретической подготовки инженера, без которой его успешная деятельность невозможна.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Небольшой объем учебного пособия достигнут с помощью тщательного отбора и лаконичного изложения материала.

ВВЕДЕНИЕ

Предмет физики и ее связь с другими науками

Физика и философия. Вследствие общности и широты своих законов Ф. всегда оказывала воздействие на развитие философии и сама находилась под её влиянием. С каждым новым открытием в естественнонаучной области, по словам Ф. Энгельса, материализм неизбежно должен менять свою форму.

В достижениях современной Ф. всё большее подтверждение и конкретизацию находит высшая форма материализма – диалектический материализм. При переходе к исследованию микромира закон диалектики – единство противоположностей – проявляется особенно отчётливо. Единство прерывного и непрерывного находит своё отражение в корпускулярно-волновом дуализме микрочастиц. Необходимое и случайное выступают в неразрывной связи, что выражается в вероятностном, статистическом характере законов движения микрочастиц. Провозглашаемое материализмом единство материального мира ярко проявляется во взаимных превращениях элементарных частиц – возможных форм существования физической материи. Особенно важен правильный философский анализ в революционные эпохи развития Ф., когда старые представления подвергаются коренному пересмотру. Классический образец такого анализа был дан В. И. Лениным в книге "Материализм и эмпириокритицизм". Лишь понимание соотношения между абсолютной и относительной истинами позволяет правильно оценить сущность революционных преобразований в Ф., видеть в них обогащение и углубление наших представлений о материи, дальнейшее развитие материализма.

Физика и математика. Ф. – количественная наука. Основные её законы формулируются на математическом языке, главным образом с помощью дифференциальных уравнений. С др. стороны, новые идеи и методы в математике часто возникали под влиянием Ф. Анализ бесконечно малых был создан Ньютоном (одновременно с Г. В. Лейбницем) при формулировке основных законов механики. Создание теории электромагнитного поля привело к развитию векторного анализа. Развитие таких разделов математики, как тензорное исчисление, римановская геометрия, теория групп и др., стимулировалось новыми физическими теориями: общей теорией относительности и квантовой механикой. Развитие квантовой теории поля ставит новые проблемы функционального анализа и т.д.

Физика и другие естественные науки. Тесная связь Ф. с др. отраслями естествознания привела, по словам С. И. Вавилова, к тому, что Ф. глубочайшими корнями вросла в астрономию, геологию, химию, биологию и др. естественные науки. Образовался ряд пограничных дисциплин:астрофизика, геофизика, биофизика, физическая химия и др. Физические методы исследования получили решающее значение для всех естественных наук. Электронный микроскоп на несколько порядков повысил возможности различения деталей объектов, позволив наблюдать отдельные молекулы. С помощью рентгеноструктурного анализа изучаются не только кристаллы, но и сложнейшие биологические структуры. Подлинным его триумфом явилось установление структуры молекул ДНК, входящих в состав хромосом клеточных ядер всех живых организмов и являющихся носителями наследств, кода. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биологии и генетики, была бы невозможна без Ф.

Метод т. н. меченых атомов играет огромную роль в исследовании обмена веществ в живых организмах; многие проблемы биологии, физиологии и медицины были решены с их помощью. Ультразвук применяется в медицине для диагностики и терапии.

Как говорилось выше, законы квантовой механики лежат в основе теории химической связи. С помощью меченых атомов можно проследить кинетику химических реакций. Физическими методами, например с помощью пучков мюонов, полученных на ускорителях, удаётся осуществить химические реакции, не идущие в обычных условиях. Используются структурные аналоги атома водорода – позитроний и мюоний, существование и свойства которых были установлены физиками. В частности, с помощью мюония удаётся измерять скорость протекания быстрых химических реакций. (См. Мюоны.)

Развитие электроники позволяет наблюдать процессы, протекающие за время, меньшее 10 -12 сек. Оно же привело к революции в астрономии – созданию радиоастрономии.

Результаты и методы ядерной Ф. применяются в геологии; с их помощью, в частности, измеряют абсолютный возраст горных пород и Земли в целом (см. Геохронология).

Физика и техника. Ф. образует фундамент главнейших направлений техники. Электротехника и энергетика, радиотехника и электроника, светотехника, строительная техника, гидротехника, значительная часть военной техники выросли на основе Ф. Благодаря сознательному использованию физических законов техника из области случайных находок вышла на широкую дорогу целенаправленного развития. Если в 19 в. между физическим открытием и первым его техническим применением проходили десятки лет, то теперь этот срок сократился до нескольких лет.

В свою очередь, развитие техники оказывает не менее существенное влияние на совершенствование экспериментальной Ф. Без развития электротехники, электроники, технологии производства очень прочных и лишённых примесей материалов было бы невозможно создание таких устройств, как ускорители заряженных частиц, огромные пузырьковые и искровые камеры, полупроводниковые приборы и т.д.

Возникновение ядерной энергетики связано с крупными достижениями ядерной Ф. Ядерные реакторы-размножители на быстрых нейтронах могут использовать природный уран и торий, запасы которого велики. Осуществление управляемого термоядерного синтеза практически навсегда избавит человечество от угрозы энергетического кризиса.

Техника будущего будет основываться не на готовых природных материалах, а главным образом на синтетических материалах с наперёд заданными свойствами. Создание и исследование структуры вещества играют в решении этой проблемы определяющую роль.

Развитие электроники и создание совершенных ЭВМ, базирующиеся на достижениях Ф. твёрдого тела, неизмеримо расширили творческие возможности человека, а также привели к построению "думающих" автоматов, способных быстро принимать решения в обстановке, требующей обработки большого объёма информации.

Огромное повышение производительности труда достигается благодаря использованию ЭВМ (автоматизация производства и управления). По мере усложнения народного хозяйства объём перерабатываемой информации становится чрезвычайно большим. Поэтому очень важно дальнейшее усовершенствование вычислительных машин – увеличение их быстродействия и объёма памяти, повышение надёжности, уменьшение габаритов и стоимости. Эти усовершенствования возможны только на основе новых достижений Ф.

Современная Ф. стоит у истоков революционных преобразований во всех областях техники. Она вносит решающий вклад в научно-техническую революцию.

О развитии Ф. в СССР см. раздел Физические науки. См. также статьи Физические журналы,Физические институты.

Самая очевидная связь - связь с астрономией. Изучая небесные тела, их удалённость от Земли, химический состав и другие показатели ученые пользуются законами физики. Космические аппараты, спутники, телескопы конструируют инженеры. Это очень интересное и перспективное направление.

Интерес представляет и связь с химией. Для изучения некоторых частиц необходимы определённые условия, которые на Земле создать или очень сложно или практически невозможно. Наблюдать за ними можно в космическом пространстве, для этого необходимы специальные телескопы, которые создают инженеры- конструкторы, при создании которых пользуются физическими законами и закономерностями.

В изучении географии также не обойтись без физики. Процесс образования осадков, испарение и конденсация, особенности климата, землетрясения, радуга, полярные сияния, приливы и отливы, и многое другое объясняется физическими законами.

Связь физики и истории прослеживается на протяжении всего развития цивилизации. С открытием физических законов менялась жизнь людей, развивалась промышленность, появлялась новая техника, что не могло не отразиться на взаимоотношениях разных стран.

Одним из разделов физики является акустика. Создание музыкальных инструментов тесно связано с этой наукой. Тем самым прослеживается тесное взаимодействие между физикой и музыкой.

Знание законов физики необходимо для понимания многих процессов, происходящих в живых организмах: движение конечностей, оптика глаза, строение уха и так далее. Это указывает, что физика и биология так же неразрывны друг с другом.

Разнообразные формы движения материи исследуются различными науками, в том числе и физикой. Физика изучает наиболее простую и вместе с тем наиболее общую форму движения материи: механические, атомно-молекулярные, гравитационные, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные процессы. Эти разновидности

физической формы движения являются наиболее общими потому, что они содержатся во всех более сложных формах движения материи, изучаемых другими науками. Например, процессы жизнедеятельности организмов, изучаемые биологией, всегда сопровождаются механическими, электрическими, внутриатомными и другими физическими процессами (но, конечно, не сводятся к этим процессам). Таким образом, можно сказать, что предмет исследования физики составляют общие закономерности явлений природы.

Этим, однако, не исчерпывается связь физики с другими науками. Физика позволяет создавать приборы и вырабатывать методы исследования, необходимые для успешного развития всех естественных и прикладных наук. Трудно переоценить значение, которое имели, например, микроскоп в развитии биологии, телескоп — в астрономии, спектральный анализ — в химии, рентгеновский анализ — в медицине и т. п. Все естественные и прикладные науки широко и плодотворно применяют теперь метод меченых атомов, электронную аппаратуру и другие физические приборы и методы исследования. Почти все эти науки имеют сейчас специальные физические разделы: астрофизика — в астрономии, физическая химия — в химии, биофизика — в биологии, агрофизика — в агрономии, электрофизика — в электротехнике; металлофизика — в металловедении и т. д. Можно поэтому утверждать, что физика является фундаментом, на котором строятся все естественные и прикладные науки.

Следует подчеркнуть, что связь физики с другими науками взаимна: развиваясь с помощью физики, эти науки обогащают физику своими достижениями и ставят перед нею новые задачи, разрешая которые физика развивается и совершенствуется сама.

По предмету и методу своих исследований физика тесно связана с философией и способствует формированию материалистического мировоззрения; методом физических исследований является материалистическая диалектика. Этот метод исходит из признания материи единственной основой мира, рассматривая сознание как свойство высокоорганизованной материи — человеческого мозга — отражать объективный мир. Метод материалистической диалектики рассматривает все явления окружающего нас мира (в том числе и физические явления) в их взаимосвязи и взаимодействии, в их развитии и изменении путем перехода количества в качество, обусловленном борьбой внутренних противоречий (противоположностей), заложенных в этих явлениях.

Всякое физическое исследование начинается с наблюдения, т. е. с изучения физических явлений в естественной, природной, обстановке. Затем на основании размышлений и логических обобщений высказывается рабочая гипотеза — научное предположение, объясняющее эти явления. Гипотеза проверяется экспериментом, т. е. изучением явлений путем их воспроизведения в искусственных, лабораторных условиях. Гипотеза, подтвержденная экспериментом, становится научной теорией, которая в дальнейшем подвергается неоднократной проверке практикой, вносящей в теорию необходимые дополнения и уточнения.

Физика оказывает весьма большое влияние на развитие производства как через соответствующие естественные науки, так и непосредственно. Достаточно напомнить, что физика дала производству электроэнергию, все виды транспорта, радиосвязь, телевидение, ядерную энергетику и т. д.

Не останавливаясь на таких общеизвестных вопросах, как механизация и электрификация сельскохозяйственного производства и внедрение во все его отрасли современной контрольно-измерительной аппаратуры, укажем на некоторые специфические направления творческого содружества физики с сельским хозяйством.

Процессы жизнедеятельности сельскохозяйственных растений в значительной мере определяются физическими условиями среды, в которой развивается растение: световым, тепловым, водным и воздушным режимами. Задача физики состоит в изучении этих условий и установлении наиболее благоприятных режимов для роста сельскохозяйственных культур. Не менее важным является решение аналогичной задачи применительно к сельскохозяйственным животным.

Для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства большое значение имеет изучение проблемы фотосинтеза и исследование методом меченых атомов процессов питания растений и животных.

Для изменения наследственности сельскохозяйственных животных и растений и стимулирования их роста весьма перспективными являются исследования по воздействию на живые организмы таких физических факторов, как ультразвуковые колебания, различного рода радиоактивные излучения, электромагнитные волны и т. п.

Актуальной агрофизической проблемой является разработка физических приемов улучшения структуры почвы (закрепление песков

и т. п.) и прогрессивных методов обработки земли (скоростная вспашка, применение виброплугов и т. д.).

При изложении настоящего курса роль физики в сельскохозяйственном производстве будет по мере возможности подчеркиваться. Однако уже из приведенного, далеко не полного перечня агрофизических проблем и задач очевидно, что современный агроном или зоотехник должен хорошо знать основы физики и уметь творчески применять физические закономерности в своей практической деятельности.

Читайте также: