Чего состоит физика. Разделы физики

Физика (от греческого "природа") - это наука об окружающем нас мире.

Физика - всеобъемлющая наука. Никакой процесс природы не находится вне физики. Физика описывает все: механику, электричество, магнетизм, оптику…

Какие-то вещи очевидны для нас: притяжение, силы инерции и трения, кипение жидкости…

Другие моменты природы не так понятны, хотя мы к ним давно "привыкли": электричество, магнетизм, различные излучения…

Некоторые утверждения вообще с трудом даются пониманию: например, теория относительности А.Эйнштейна.

Наблюдая, казалось бы, простые явления природы, мы редко задумываемся, почему происходит именно так, а не иначе:

• Почему идет снег?
• Как мы слышим?
• Для чего нам нужна кровь?
• Почему звезды видны только ночью?
• Почему, поскользнувшись, мы падаем назад, а споткнувшись - вперед?
• Для чего у автомобилей колеса резиновые?
• Почему нам тепло под одеялом?

Физика - это исследование мира и его устройства.

Классический курс изучения физики включает в себя, как правило, следующие разделы:

Механика . Изучение принципов движения является первым шагом понимания физических процессов, которые проявляются в наблюдении, измерении и создания математической модели на основе полученных данных.

Движение происходит под действием различных сил. Законы приложения сил - основа механики .

При описании движения объектов нам "пригодятся" представления об энергии и импульсе . Помните закон сохранения энергии?
"Энергия не берется из "ниоткуда" и не исчезает бесследно, - она просто переходит из одного вида в другой".

Тепло и холод - неотъемлемые спутники нашей повседневной жизни.

• Почему утром бывает роса?
• Почему в холодную погоду запотевают очки при входе в теплое помещение?
• Почему в космосе холодно?

На эти и многие другие вопросы дает ответ термодинамика .

Электричество и магнетизм вводят нас в более загадочный физический мир. Ведь действие этих физических явлений нельзя почувствовать "напрямую". Комбинируя электричество и магнетизм можно получить такое удивительное явление, как свет , который лежит в основе видимости всего мира.

Надо сказать, что бОльшая часть физики связана с невидимым миром. Любое вещество состоит из атомов, увидеть которые не представляется возможным.

"Венцом" изучения физических явлений можно считать теорию относительности А.Эйнштейна . А как же иначе? Ведь при достижении скоростей, близких к скорости света, с миром происходят удивительные вещи: масса стремится к бесконечности; время - пытается замереть на месте. А вы знаете, что происходит в "черных дырах"? Не поверите, - "там" время и пространство меняются местами!

Вот какая она удивительная и многообразная - наука ФИЗИКА!

Основные этапы развития физики

• В 17 веке Исааком Ньютоном создается классическая механика .
• К концу 19 века было в основном завершено формирование классической физики .
• В начале 20 века в физике происходит революция, она становится квантовой (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор).
• В 20-е годы была разработана квантовая механика - последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак). Одновременно появилось новое учение о пространстве и времени - теория относительности Альберта Эйнштейна, физика делается релятивистской .
• Во 2-й половине 20 века происходит дальнейшее существенное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми, Р. Фейнман, М. Гелл-Ман), конденсированных сред (Д. Бардин, Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбов).
• Физика стала источником новых идей, преобразовавших современную технику: ядерная энергетика (И. В. Курчатов), квантовая электроника (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс), микроэлектроника, радиолокация возникли и развились в результате достижений физики.

Физика - фундаментальная естественная наука, которой уже несколько тысячелетий. Объяснить природные явления с научной точки зрения пытались еще в глубокой древности. Самый известный физик и математик Древней Греции Архимед открыл несколько механических законов. Другой древнегреческий физик Стратон в 3 веке до н. э. заложил основы экспериментальной физики.

Многовековая история человечества, взгляды и гипотезы ученых, постоянные исследования привели к тому, что почти все природные явления сейчас можно пояснить с точки зрения физики. В этой науке выделяют несколько основных разделов, каждый из которых описывает определенные процессы макро- и микромира.

Основные разделы

Основные разделы физики - это механика, молекулярная физика, электромагнетизм, оптика, квантовая механика и термодинамика.

Механикой называют раздел физики, изучающий законы движения тел. Молекулярная физика - один из основных разделов, изучающий молекулярную структуру веществ. Электромагнетизм - масштабный раздел, изучающий электрические и магнитные явления. Оптика изучает природу света и электромагнитных волн.

Термодинамика изучает тепловые состояния макросистем. Ключевые понятия этого раздела: энтропия, энергия Гиббса, энтальпия, температура, свободная энергия.

Квантовая механика - физика микромира, обязанная своим появлением исследованиям Макса Планка. Именно этот раздел - квантовая механика - по праву считается самым сложным разделом физики.

Разделы механики

Основные разделы физики принято подразделять на собственные разделы. Например, в механике выделяют классическую и релятивистскую. Классическая механика обязана своим становлением Исааку Ньютону, гениальному английскому ученому, автору трех основных законов динамики. Важную роль также сыграли исследования Галилея. Классическая механика рассматривает взаимодействие тел при движении со скоростями, намного меньшими, чем скорость света.

Кинематика и динамика - разделы физики, изучающие движение идеализированных тел. В общем в классической механике выделяют кинематику, динамику, акустику, механику сплошных сред.

Акустикой назван раздел физики, изучающий звуковые волны, а также упругие колебания различных частот.

В физике сплошных сред принято выделять гидродинамику и аэростатику. Это разделы физики, посвященные законам движения жидкостей и газов соответственно. А также выделяют физику плазмы и теорию упругости.

Релятивистская механика рассматривает движение тел, движущихся со скоростями, почти равными скорости света. Рождение релятивистской механики неразрывно связано с именем Альберта Эйнштейна, создателя СТО и ОТО.

Молекулярная физика

Молекулярной физикой называют раздел физики, занимающийся исследованием молекулярной структуры вещества. В курсе молекулярной физики изучаются законы идеального газа. Здесь же изучается уравнение Менделеева-Клапейрона, молекулярно-кинетическая теория.

Электромагнетизм

Электромагнетизм - один из самых глобальных разделов, которыми богата физика. Разделы физики электричества и магнетизма: магнетизм, электростатика, уравнения Максвелла, магнитостатика, электродинамика. Важный вклад в развитие этого раздела сделали Кулон, Фарадей, Тесла, Ампер, Максвелл.

Оптика

Еще в Средние века люди заинтересовались поиском научного пояснения оптических явлений. Разделы физики, созданные для этого: геометрическая, волновая, классическая и рентгеновская оптика.

Существенный вклад в развитие оптики внес Исаак Ньютон. Его труд "Оптика", изданный в 1704 году, стал ключом к дальнейшему развитию геометрической оптики.

Квантовая механика

Это самый молодой раздел, которым представлена физика. Раздел квантовая механика имеет четкую дату рождения - 14 декабря 1900 года. В этот день Макс Планк сделал доклад о распространении энергии. Он первым предположил, что энергия элементарных частот испускается дискретными дозами. Для описания этих дискретных порций Макс Планк ввел особую константу - постоянную Планка, которая связывает энергию с частотой излучения.

В квантовой механике выделяется атомная и ядерная физика. Разделы физики данного направления поясняют структуру атома и атомных субъединиц.

Физика в переводе с древне греческого - «природа». Физика — это область естествознания, наука, которая изучает наиболее фундаментальные закономерности, определяющие общую структуру и эволюцию материального мира. Являясь одним из трех китов, на которых зиждется современная система мироустройства, физика, является наукой о природе в самом широком понимании этого слова! Кроме того, что она изучает материальные и энергетические параметры организации вселенной, она также ставит перед собой задачи пояснения и логического обоснования фундаментальных взаимодействий в природе, управляющих движением материи.

На самом деле, именно физика является основным двигателем технического прогресса человечества в целом. Не умаляя в этом заслуг и иных отраслей научной мысли, все же хочется упомянуть о таких величайших гениях рода человеческого как Исаак Ньютон, Альберт Эйнштейн, Никола Тесла и пр., и пр. Именно физики позволили человечеству сделать не просто шаг в направлении своего технического развития, но совершить гигантский скачок!!!

За последние 100 лет человек овладел энергией атома, повсеместно внедрил электричество во все сферы жизни, создал то, без чего вы не смогли бы прочитать эти строки - интернет, завоевал воздушное, водное и начал исследование подводного пространства нашей планеты. Создал супер-прочные материалы, обладающие невиданными до селе свойствами, вычислительные машины, выполняющие миллиарды логических операций в секунду, проник в бескрайние глубины человеческого мозга, увидел мельчайших обитателей нашей планеты, которых теперь мы называем вирусами, научился искусственно выращивать и трансплантировать человеческие органы и вырвался за пределы атмосферы планеты земля. Всего не перечесть. Но и этого я думаю достаточно, чтобы понять в полной мере, что же из себя представляет физическая наука.

Может возникнуть вопрос, - зачем физика нужна Вам? Позволим себе ответить на него опять же таки вопросом, - а зачем сороконожке ноги, птицам крылья, а растениям солнце? Правильно, - да потому, что без всего этого им не обойтись!!! :) Физика сегодня необходима нам как никогда раньше. Ведь вы используете законы физики каждый день, в своей повседневной жизни…- когда готовите еду, смотрите телевизор или же просто нежитесь в ванной. Законы Архимеда, законы, применяемые в оптике, или физические законы из раздела гидро-газо-динамики стали для нас чем-то на столько обыденным, что мы уже просто не обращаем на них своего внимания, а зря…Физика - это в первую очередь, возможность человека как можно более глубже познать окружающий его мир, упорядочить систему его мировосприятия и осознать себя неотъемлемой его частью!

Физическая наука всеобъемлюща в своем стремлении охватить как можно больше и как можно более детально описать то, что попадает в поле зрения ее апологетов, и поэтому с полным правом может претендовать на почетное звание королевы наук!

Определение 1

Физика – это область естествознания, это наука о простейших и наиболее общих природных законах, о материи, ее движении и структуре. В основе всего естествознания лежат законы физики.

Впервые термин «физика» фигурирует в учениях Аристотеля, еще в $IV$ столетии до нашей эры. Изначально термин «философия» и термин «физика» были синонимами, поскольку в основе этих дисциплин было стремление объяснить законы Вселенной. Однако научная революция $XVI$ столетия привела к трансформации физики в отдельную дисциплину.

Предмет и значение физики в современном мире

Физика – это наука о естествознании, в общем смысле слова является частью природоведения. Предметом ее изучения является материя, в виде полей и вещества, а также общие формы ее движения. Также к предмету изучения физики можно отнести фундаментальные природные взаимодействия, которые управляют движением материи.

Общими для всех материальных систем являются некоторые закономерности, которые называются физическими законами. Часто физику называют фундаментальной наукой, поскольку иные естественные науки (биология, химия, геология) описывают только конкретные классы материальных систем, которые подчиняются физическим законам.

Предмет изучения химии – атомы, вещества, что состоят из них, а также превращение одних веществ в другие. Химические свойства любого вещества определяются физическими свойствами молекул и атомов, которые описываются в таких разделах физики, как электромагнетизм, термодинамика и квантовая физика.

Физика тесно связывается с математикой, поскольку она представляет механизм, при помощи которого физические законы могут формулироваться максимально точно. Все физические законы практически всегда формулируются в виде уравнений. Причем в данном случае используются наиболее сложные разделы математики, нежели в других науках. И наоборот, потребностями физической науки стимулировалось развитие большинства областей математики.

Значение физики в современном мире очень велико. Все, чем отличается нынешнее общество от общества прошлых столетий, возникло в результате применения физических открытий.

Исследования в сфере электромагнетизма привели к возникновению стационарных и мобильных телефонов. Благодаря открытиям термодинамики получилось создать автомобиль, а развитие электроники спровоцировало возникновение компьютерной техники. Фотоника дает возможность создать принципиально новые компьютеры и фотонную технику, которые стремительно замещают современную электронную технику и приспособления. А развитие газодинамики дало рождение самолетам и вертолетам.

Знание физических процессов, которые постоянно происходят в природе, углубляются и расширяются. Большая часть новых и современных открытий получает технико-экономическое применение, зачастую в промышленности.

Перед современными исследователями регулярно возникают новые задачи и загадки – всплывают явления, для объяснения которых необходимо разрабатывать новые физические теории. Несмотря на большой опыт приобретенных знаний, современная физика еще далека от того, чтобы объяснить все природные явления.

Общие научные основы методов физики разрабатываются в методологии науки и в теории познания.

Экспериментальная и теоретическая физика

В своей основе физика является экспериментальной наукой: все ее теории и законы опираются и основаны на опытных данных. Но, несмотря на это, именно новые теории – основная причина проведения новых экспериментов, в результате осуществления которых лежат новые открытия. Поэтому принято различать теоретическую и экспериментальную физику.

В основе экспериментальной физики лежит исследование явлений природы в тех условиях, которые были подготовлены заранее. В задачи данного вида физики входит обнаружение явлений, которые не были известны ранее, а также опровержение или подтверждение физических теорий. В физике большинство достижений были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению физических явлений, которые не описываются существующими теориями.

Экспериментальное изучение фотографического эффекта стало одной из предпосылок создания квантовой механики.

Замечание 1

Хотя научным рождением квантовой механики считается появление гипотезы Планка, который выдвинул ее для разрешения ультрафиолетовой катастрофы, что была парадоксом классической теоретической физикой излучения.

Задачами теоретической физики являются формулировка общих природных законов, объяснение их на основе различных природных явлений, а также прогнозирование неизведанных до сих пор процессов. Достоверность физической теории можно проверить экспериментально: если его результаты совпадают с прогнозами теории, то она считается адекватной и точно описывающей конкретное явление. При изучении каждого явления или процесса одинаково важны и теоретическая, и экспериментальная физика.

Прикладная физика

Физика с самого своего рождения имела огромное прикладное значение, она развивалась вместе с механизмами, машинами, которые человечество использовало для своих нужд. Физика часто применяется в инженерных науках, большинство физиков были изобретателями. Механика, как раздел физики, была тесно связана с сопротивлением материалов и с теоретической механикой, как с главными инженерными науками.

Термодинамика связана с конструированием тепловых двигателей и теплотехникой. Электричество напрямую связано с электроникой и электротехникой, для развития и становления которой были важны исследования в сфере физики твердого тела. Благодаря достижениям ядерной физики возникла ядерная энергия. Данный список можно продолжать долго.

Также физика имеет широкие междисциплинарные связи. На границе химии, физики и инженерных наук возникает и быстро развивается такая отрасль, как материаловедение. Химией используются инструменты и методы, что приводит к становлению двух исследовательских направлений: химической физики и физической химии.

Широких оборотов набирает биофизика, которая является областью исследований на границе между физикой и биологией, в которой все биологические процессы рассматриваются из атомарной структуры органических веществ. Геофизика изучает геологические явления и их физическую природу. Медицина применяет такие методы, как ультразвуковое исследование и рентгеновское облучение. Ядерный магнитный резонанс используется для диагностики, лазеры – для лечения глазных заболеваний, а ядерное облучение – в онкологии.

Основные разделы физики

Макроскопическая физика подразделяется на:

1. Механика: классическая механика, релятивистская механика, а также механика сплошных сред (акустика, гидродинамика, механика твердого тела).
2. Термодинамика, которая включает в себя неравновесную термодинамику.
3. Оптика: физическая оптика, кристаллооптика, молекулярная и нелинейная оптика.
4. Электродинамика: сюда входит магнитогидродинамика, электрогидродинамика, а также электродинамика для сплошных сред.

Микроскопическая физика состоит из следующих разделов:

1. Атомная физика.
2. Статистическая физика: сюда входит статистическая механика, физическая кинетика, а также статистическая теория поля.
3. Физика конденсированных сред: физика жидкостей и твердого тела, физика наноструктур а также физика молекул и атомов.
4. Квантовая физика. В данный раздел входят такие подразделения: квантовая теория поля, квантовая механика, квантовая хромодинамика, квантовая электродинамика, а также теория струн.
5. Ядерная физика.
6. Физика высоких энергий.
7. Физика элементарных частиц.

Существуют также разделы физики, которые находятся на стыке наук:

1. Агрофизика.
2. Акустооптика.
3. Астрофизика.
4. Биофизика.
5. Гидрофизика.
6. Вычислительная физика.
7. Геофизика: сейсмология, петрофизика, геофизическая гидродинамика.
8. Математическая физика.
9. Космология.
10. Материаловедение.
11. Метрология.
12. Медицинская физика.
13. Радиофизика: статистическая и квантовая радиофизика.
14. Теория колебаний.
15. Техническая физика.
16. Химическая физика.
17. Физика плазмы и атмосферы.
18. Физическая химия.

Фи́зика (от др.-греч. φύσις «природа») - область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира.

Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности - Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый отечественный учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком Страховым.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Предмет физики

Физика - это наука о природе в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает вещество (материю) и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, - такие свойства называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы и образованные из них вещества. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий (см. математическая физика).

Теоретическая и экспериментальная физика

Главными ветвями физики являются экспериментальная физика и теоретическая физика. И хотя может показаться, что они разделены, поскольку большинство физиков являются или чистыми теоретиками, или чистыми экспериментаторами, на самом деле теоретическая и экспериментальная физика развиваются в постоянном контакте. Над одной и той же проблемой могут работать как теоретики, так и экспериментаторы. Первые описывают существующие экспериментальные данные и делают теоретические предсказания будущих результатов, вторые проводят эксперименты, проверяя существующие теории и получая новые результаты. Многие достижения в физике были вызваны экспериментальным наблюдением явлений, не описываемых существующими теориями (например, экспериментально обнаруженная абсолютность скорости света породила специальную теорию относительности), так же как и некоторым теориям удалось предсказать результаты, проверенные позже (например, открытие позитрона).

Основные теории

Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.