Некоторые физические термины. Получение новых знаний

Если взглянуть на окружающие нас предметы через призму физики, то становится ясно, что каждый из них представляет собой совокупность материальных объектов, состоящих из атомов и молекул, взаимодействующих друг с другом согласно законам природы.

Например:

Люди, животные и деревья — это живые организмы, чьи клетки содержат сложные молекулярные структуры, подчиняющиеся физическим законам движения, термодинамики и электромагнетизма.

Автомобиль — сложная система механизмов, работающих на основе принципов механики, гидравлики и электротехники.

Яблоко — плод, состоящий из органических соединений, подвергающихся физическим процессам роста, распада и взаимодействия с окружающей средой.

Лампочка — прибор, использующий электрическую энергию для создания света посредством нагрева нити накаливания, и так далее.

Обобщения разных предметов и явлений по определённым признакам принято называть понятиями. Например, ромашка, василёк и роза объединяются понятием «цветок». При этом одно и то же понятие может вызывать разные ассоциации у разных людей. Так, слово «машина» может означать и игрушку, и автомобиль, и стиральную машину и ещё много чего.

Отличительной чертой научного языка является использование специальных слов, которые имеют однозначное значение для всех. Такие слова называются научными терминами. Термины — это слова или словосочетания, обозначающие конкретные понятия в науке, технике или искусстве. Они необходимы для точного понимания того, что подразумевается под этими словами. Например, понятие «сила» мы можем использовать в разных контекстах: сила воли, сила ветра, сила воды и так далее. В физике существует специальный термин «сила», обозначающий конкретную физическую величину, которую вам ещё предстоит изучить.

Одна из основных задач науки — выявление общих закономерностей, объясняющих окружающий мир. Понимание этих закономерностей позволяет не только объяснять различные явления, но и предсказывать их.

В физике любые объекты, будь то карандаш, капля воды или целая планета, называются физическими телами или просто телами.

Каждое тело обладает формой, объёмом и уникальными свойствами, такими как цвет, прозрачность, масса или электрический заряд. Мы знаем, что подброшенные вверх камень, мяч и яблоко рано или поздно падают на землю. Использование термина «физическое тело» помогает объединить эти наблюдения и сформулировать общее правило: любое подброшенное вверх физическое тело в конечном итоге упадёт на землю.

Помимо физических тел, существуют также физические поля. Их не всегда можно обнаружить с помощью человеческих органов чувств, однако легко выявить с помощью экспериментов и приборов. Примерами физических полей являются магнитное поле вокруг магнита и электрическое поле вокруг заряженного тела.

Физическим телам и полям свойственно претерпевать различные изменения. Например, ложка, погружённая в горячую воду, нагревается. Вода в стакане со временем испаряется. А если поставить её в морозилку, то она замёрзнет. Лампа излучает свет. Девочка и собака идут по улице, то есть движутся, как и автомобиль, который может проехать рядом с ними. Электромагнит теряет свои магнитные свойства при отключении его от электрического тока. Такие процессы, как нагревание, испарение, замерзание, излучение, движение, намагничивание и прочие изменения, происходящие с физическими телами и полями, называются физическими явлениями.

Изучение физики позволит вам ознакомиться с множеством подобных явлений.

Всё, из чего состоят физические тела, называется веществом. Различные материалы, такие как железо, стекло, пластилин, резина, воздух и вода, являются примерами различных видов вещества.

На протяжении жизни человек сталкивается с множеством различных веществ. Возникает вопрос: насколько много вещества в окружающем нас мире? Ограниченно ли их количество или оно бесконечно? Эти вопросы интересовали человечество с давних времён.

Например, в древние времена было широко распространено мнение о том, что все вещи во Вселенной состоят из четырёх основных элементов: воды, огня, воздуха и земли. Учёные того времени объясняли это следующим образом: когда дерево сгорает, сначала появляется дым (воздух), затем вспыхивает пламя (огонь). На прохладной поверхности, находящейся вблизи огня, образуется конденсат (вода), а по окончании горения остаётся пепел (земля). Таким образом, они считали, что мир построен на этих четырёх стихиях — огне, воздухе, воде и земле.

В V веке до нашей эры древнегреческий мыслитель Демокрит предложил теорию строения вещества. Легенда гласит, что он задумался над таким вопросом: что произойдёт, если разрезать яблоко пополам, затем одну из половинок снова поделить пополам и продолжать этот процесс дальше?

Можно ли делить яблоко бесконечно или же есть некий предел, за которым находится самая маленькая частица? Демокрит пришёл к выводу, что такой предел действительно существует. Он назвал эту наименьшую неделимую частицу атомом. Само слово «атом» происходит от греческого слова, означающего «неделимый». Сейчас науке точно известно, что все вещества вокруг нас состоят из атомов. Их в природе существует чуть более девяноста их различных видов. Ещё около тридцати атомов получены искусственным путём. Однако они способны соединяться между собой, формируя огромное количество разнообразных молекул, которые представляют собой мельчайшие частицы веществ. Однако современная наука больше не рассматривает атомы как абсолютно неделимые. Оказалось, что атомы состоят из ещё меньших компонентов — электронов и ядер. Ядро включает в себя протоны и нейтроны. А те, в свою очередь, состоят из кварков и связующих их глюонов.

Атомы и молекулы настолько крошечные, что их невозможно разглядеть без специальных приборов. Свойства веществ зависят от того, какие типы атомов и в каком соотношении входят в состав их молекул. Чтобы лучше понять размеры атомов, представим такую аналогию: если бы обычное яблоко увеличили до размеров Земли, то атомы стали бы величиной с яблоко.

Все объекты и явления, существующие во Вселенной вне зависимости от человеческого восприятия, называются материей. Это понятие шире, чем просто вещество. К материи относятся растения, животные, планеты, разнообразные предметы. Вещество — это лишь одна из форм материи. Также примерами материи служат свет, радиоволны, передающие сигналы от радиостанций к приёмникам, микроволновое излучение и многое другое.

Материальный мир непрерывно изменяется. Одни звезды угасают, другие рождаются. Атомы и молекулы вещества находятся в постоянном движении. Луна обращается вокруг Земли, а Земля вращается вокруг Солнца. История развития естественных наук, особенно физики, показала, что основным свойством всех материальных объектов является движение. В этом смысле понятия материи и движения неотделимы друг от друга.

Для изучения законов природы требуются терпение и упорство. Человеку потребовались долгие годы, чтобы изобрести колесо, научиться зажигать костёр, строить корабли, понимать природу молнии, выращивать растения с нужными характеристиками и создавать самолёты.

Наблюдение за поведением животных и развитием растений позволило людям познакомиться с флорой и фауной нашей планеты. Изучение лесных пожаров и степных возгораний во время гроз научило человечество использовать огонь. Таким образом, наблюдение за природными явлениями также является важным способом познания мира. Наблюдения остаются одним из ключевых источников знаний о природе. Но сами по себе они не привели бы к созданию физической картины мира, хотя и внесли значительный вклад, особенно в области астрономии.

После накопления данных через наблюдения, мы стремимся понять, как именно протекают эти явления и почему. Для этого мы накапливаем факты (то есть результаты наблюдений).

В процессе размышлений возникают разные предположения относительно сущности наблюдаемых явлений, которые называются гипотезами (то есть предположение или догадка).

Гипотеза объясняет известные факты и предсказывает новые, ещё неизвестные. А чтобы проверить гипотезы, проводятся эксперименты, включающие измерения. Эксперимент предполагает наличие цели, плана действий и специального оборудования.

Проверяя ту или иную гипотезу с помощью экспериментов, мы можем либо подтвердить её, либо опровергнуть. Таким образом, знания формируются в результате следующей последовательности шагов: наблюдение — гипотеза — эксперимент — вывод.

Приведём пример.

Наблюдая за тем, как корабли исчезают за горизонтом, люди в древности догадывались, что Земля может быть округлой. В IV веке до нашей эры греческий философ Аристотель, изучая тень Земли во время лунного затмения, утверждал, что наша планета имеет форму шара. Гипотеза была подтверждена экспериментально только в середине XVI века благодаря первому кругосветному путешествию, совершенному португальским мореплавателем Фернаном Магелланом. Позже космические снимки Земли окончательно доказали верность этого предположения.

Или вот ещё один интересный пример. Люди наблюдают за падением предметов с самого начала своей истории. Сразу возникали вопросы: почему тела падают и от чего зависит скорость их падения? Эти вопросы волновали даже древних греческих учёных. Аристотель предположил, что тяжёлые тела падают быстрее, чем лёгкие. И это казалось для всех очевидным на протяжении тысяч лет. Однако в XVI веке Галилео Галилей решил провести эксперименты, чтобы проверить гипотезу Аристотеля. Согласно легенде, он сбрасывал лёгкие и тяжёлые шары (возможно, пушечные ядра» с известной Пизанской башни. К удивлению учёного и тяжёлые, и лёгкие шары достигали земли практически одновременно.

«Глухой удар падающих ядер о землю прозвучал как похоронный звон над старой системой физики и возвестил о зарождении новой», позже написал британский учёный Оливер Лодж.

После завершения эксперимента и анализа полученных данных делают выводы о свойствах исследуемого физического явления. Обычно такие выводы формулируют в виде математических формул, называемых физическими законами. Эти законы не только помогают описывать изучаемые явления, но иногда позволяют предсказывать новые, ранее неизвестные процессы. Важно отметить, что для признания знания о физическом явлении в качестве закона необходима экспериментальная проверка. Поэтому физику часто называют экспериментальной наукой.

Тем не менее, у каждого физического закона есть свои пределы применения. Например, законы, описывающие движение и взаимодействие окружающих нас объектов, не подходят для объяснения поведения атомов, молекул и элементарных частиц, из которых состоят атомы и молекулы вещества.

Чтобы понять и объяснить какое-либо явление, люди нередко используют аналогии. Ведь существуют многие физические явления, исследование которых сопряжено с высоким риском для человека. Например, как устроена шаровая молния? Что происходит при взрыве атомной бомбы? Почему Солнце служит источником тепла и света? Компьютеры помогают моделировать подобные процессы.

На экранах мониторов оживут устрашающие явления: взрыв атомной бомбы, смерчи и ураганы, столкновения быстрых автомобилей. Иначе говоря, они строят модель изучаемого явления или процесса. Физическая модель представляет собой упрощённое представление физической системы или процесса, сохраняющее его основные особенности. Например, в процессе исследования структуры вещества физики разрабатывали различные модели молекул и атомов, постепенно углубляя своё понимание этих объектов. Со временем изменялись и модели, описывающие нашу Землю и Вселенную в целом.

Иногда простое наблюдение может привести к ошибочным выводам. Чтобы эти заключения точнее отражали суть явления или свойства объекта, необходимо проводить измерения. Измерение — это важный метод изучения природы.

Для проведения измерений в рамках эксперимента используются измерительные приборы. Некоторые из них довольно просты, например, линейка, весы или мензурка. Однако для более точных и сложных измерений применяются специализированные устройства, такие как приборы для измерения времени, скорости, давления воздуха и других параметров.