НАЧАЛЬНОЕ И СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

П. И. САМОЙЛЕНКО

ФИЗИКА

ДЛЯ ПРОФЕССИЙ И СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

СОЦИАЛЬНО ЭКОНОМИЧЕСКОГО

И ГУМАНИТАРНОГО ПРОФИЛЕЙ

Учебник

Рекомендовано

Федеральным государственным учреждением

«Федеральный институт развития образования»

в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы начального и среднего профессионального образования Регистрационный номер рецензии 300 от 11 июня 2009 г. ФГУ «ФИРО»

5 е издание, стереотипное Москва Издательский центр «Академия»

УДК 53(075.32) ББК 22.3я С Р е ц е н з е н т ы:

зам. директора по инновационной и экспериментальной деятельности ГБОУ Железнодорожный колледж № канд. техн. наук, доц. Т. В. Гериш;

преподаватель физики ГБОУ Железнодорожный колледж № М. В. Богданова Самойленко П. И.

С 17 Физика для профессий и специальностей социально-экономического и гуманитарного профилей : учебник для образоват. учреждений начального и среднего проф. образования / П. И. Самойленко. — 5-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2013. – 496 с.

ISBN 978-5-4468-0433- Наглядно и убедительно показано, что все многообразие физических явлений можно привести в стройную систему и понять, опираясь на небольшое количество фундаментальных законов. Для учебника характерны строгая логика, современные подходы к изложению материала, широкое использование исторических фактов. Первостепенное внимание уделяется физическому смыслу и границам применимости основных понятий, формул, законов, теорий.

Для обучающихся в образовательных учреждениях начального и среднего профессионального образования.

УДК 53(075.32) ББК 22.3я Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Самойленко П.И., © Образовательно-издательский центр «Академия», ISBN 978-5-4468-0433-7 © Оформление. Издательский центр «Академия»,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Физика — фундамент современного естествознания. Она имеет важное значение для теории познания, формирования научного мировоззрения, а также для развития других наук и различных областей техники. Изучение основ физики создает необходимую базу для качественной профессиональной подготовки будущих специалистов среднего звена. Задачи экономического и социального развития нашего общества должны решать люди, вооруженные современными знаниями, поэтому в соответствующих разделах и темах курса обучающиеся знакомятся с задачами и перспективами развития науки и техники, вопросами экологии, а в плане общекультурного развития — с современной физической картиной мира во всем ее многообразии.

Данный учебник вместе со «Сборником задач по физике»

(П. И. Самойленко, 2010) входит в учебный комплект для обучающихся в образовательных учреждениях начального и среднего профессионального образования, где на курс физики отводится относительно немного часов (социально-экономический и гуманитарный профили). В связи с этим материал изложен на качественной основе, без использования сложного математического аппарата.

Курс физики с учетом современных требований должен соответствовать профессиональной направленности. В предлагаемом учебнике показана роль физической науки в решении глобальных проблем человечества, а также в становлении культуры.

Особое внимание уделяется самостоятельной работе обучающихся в процессе изучения физики, развитию их познавательной деятельности и умению выделять главное — обобщать полученные знания. Для этого в конце каждой главы дается сводка основных понятий и выводов, приводятся вопросы и упражнения для самопроверки.

ВВЕДЕНИЕ

Физика — наука о природе Человек живет в мире природы. Физика изучает наиболее общие закономерности природы, строение и свойства материи. Материей в науке называется все то, что реально существует в природе, независимо от нас и нашего сознания, все то, что мы можем воспринимать с помощью органов чувств непосредственно или используя специальные приборы.

Науки о природе зародились давно — в Древнем Китае, Индии и Древней Греции. Слово «физика» древнегреческого происхождения. Оно появилось в сочинениях ученого-энциклопедиста Аристотеля, жившего в IV в. до н. э., и в переводе на русский язык означает «природа» (от греч. physys — природа). В русский язык это слово ввел в 1746 г. М. В. Ломоносов, когда издал в переводе с немецкого языка первый в России учебник физики «Вольфианская экспериментальная физика».

Таким образом, физика — самая общая наука о природе: о строении, свойствах и взаимодействии составляющих ее материальных тел и полей.

Физика — наука об изменениях и процессах, происходящих в природе, свойствах живой и неживой материи, из которой состоит окружающий мир.

Физика — наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.

Главная цель этой науки — выявить и объяснить законы природы, которыми определяются все физические явления.

Физику и другие науки о природе (астрономию, биологию, химию, геологию, метеорологию, физическую географию и т. д.) называют естественными. В отличие от физики другие естественные науки изучают объекты и явления, которые выделяются определенным признаком, свойством, принадлежностью.

Например, астрономия изучает явления, происходящие с небесными телами и их системами; биология — живые организмы и среду, в которой они обитают; геология — строение поверхности и недр Земли, а также состав и происхождение горных пород;

метеорология — атмосферу, ее строение, свойства, процессы, которые в ней происходят, а также разрабатывает методы, позволяющие предсказывать атмосферные явления; физическая география — изменения на Земле и в околоземном пространстве — литосфере, гидросфере и атмосфере; химия — такой вид взаимодействия, при котором одни вещества превращаются в другие.

Как видим, физические методы исследования широко применяются в естественных науках.

Толчком к развитию физики как науки послужило использование закономерностей явлений природы, имеющих практическое значение. Так, установив законы механического движения тел, в частности планет, ученые создали календарь, с помощью которого могли предсказывать сезонные изменения времен года, рассчитывать последствия воздействия различных природных стихий и т. п.

На протяжении многих веков знания о физических законах природы обогащались и совершенствовались. Используя их, ученые и конструкторы создавали машины, разрабатывали новые технологии, преображали окружающий нас мир. Без преувеличения можно сказать, что не существует технических устройств или приборов, современных технологий, при создании которых не использовались бы знания физики.

Что же изучает физика?

Физика изучает физические явления и физические свойства тел.

Движение самолетов и автомобилей, обращение Земли вокруг Солнца и космической орбитальной станции вокруг Земли, свечение экрана телевизора, молния, гром, радуга, влияние магитного поля Земли на стрелку компаса, отражение света от зеркальных поверхностей, таяние льда, образование облаков, взрывы атомных бомб и процессы, происходящие в недрах звезд, — все это примеры физических явлений. Многие физические явления обладают общими свойствами, и в зависимости от этого можно говорить о механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических и других процессах и явлениях.

Все эти явления свойственны неживой природе. Но многие из них могут происходить внутри живых организмов. Например, влага поднимается от земли к колосу по стеблю растения; кровь течет по сосудам в теле человека и животного; по нервным волокнам передаются сигналы от мозга и т. д.

Помимо явлений природы физика изучает свойства отдельных тел, материального мира в целом. Например, очень важно знать, какие тела лучше проводят теплоту или электрический ток, какие материалы следует использовать для звукоизоляции, каким веществом нужно покрыть экран телевизора, чтобы на нем можно было получить изображение, из какого вещества следует изготовить пленку для магнитофона, чтобы записать на ней звуковой сигнал, и т. д. Ответить на эти вопросы можно, если исследовать соответствующие свойства тел. Таким образом, физика — фундаментальная наука о свойствах и строении материи, законах ее движения.

Структурные уровни организации материи Согласно современным естественно-научным представлениям все объекты неживой и живой природы представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные и взаимосвязанные системы. На основе системного подхода, учитывающего фундаментальный характер взаимодействия объектов природы и отношения между ними, все известные в настоящее время объекты материального мира в зависимости от их размеров условно относят к микро-, макро- или мегамиру.

Естественно-научный метод познания, его возможности и границы применимости. Физика — сокровищница научной информации об окружающем нас мире. Но она ценна не только объемом накопленных знаний о природе, но и своим методом научного познания, одним из основоположников которого является итальянский физик Галилео Галилей (1564 — 1642). Этот метод определяют как последовательность нескольких этапов, важнейшими из которых являются следующие:

1) наблюдение явлений, которое возможно благодаря органам чувств человека и используемым приборам при исследовании явления;

2) выдвижение гипотезы — предположительного суждения о закономерной связи явлений;

3) создание теории на основе выдвинутой гипотезы, позволяющей обсудить совокупность наблюдаемых явлений, предвидеть явления еще неизвестные, предсказывать ход их развития;

4) экспериментальная проверка выдвинутой гипотезы и теоретических следствий, вытекающих из нее.

Первый этап происходит в виде непосредственного наблюдения явлений. Чувственный опыт, считал Галилей, привлекает наше внимание к наблюдаемому явлению, но не открывает законов природы, так как они «написаны на языке математики».

За чувственным опытом должно следовать выдвижение гипотезы — научно обоснованного предложения о внутренних связях, управляющих данными явлениями или совокупностью явлений. Выдвижение гипотезы — творческий процесс, в котором силой ума создается абстрактная модель наблюдаемого явления, способная сделать его понятным для нас. Поэтому изучение любого явления начинается с выделения главного, от чего оно зависит, и отбрасывания второстепенных факторов, не влияющих на него существенно. Подобное упрощение называют моделированием.

Моделирование — один из методов научного исследования, в котором изучаемое физическое явление (объект) заменяется другим, сходным с ним, — моделью. Модели могут быть материальными и идеальными.

К материальным относятся такие модели, которые состоят из вещественных элементов и реально функционируют. Они предназначены для воспроизведения структуры объекта, характера протекания и сущности рассматриваемого процесса. Например, моделью жидкости может служить речной песок, моделью земного шара — глобус. Планетарий представляет собой устройство, с помощью которого демонстрируют модели звездного неба, Солнечной системы и различных небесных явлений.

К идеальным относятся такие модели, которые конструируются мысленно (материальная точка, математический маятник, идеальный газ, кристаллическая решетка). Их можно фиксировать с помощью рисунков, мультипликации, определенных символов.

Однако все преобразования элементов модели осуществляются в сознании человека по логическим, математическим, физическим правилам и законам.

С возникновением новых поколений ЭВМ в науке получило широкое распространение компьютерное моделирование с помощью специально созданных для этой цели программ.

После построения модели начинается ее изучение (теоретический анализ). Выводы, полученные при этом, проверяют, выясняют их соответствие научному эксперименту либо результатам практической деятельности. Нельзя чисто теоретически установить, пригодна данная модель для описания конкретного явления или нет. Только опыт, практика дают уверенность в правильности той или иной модели явления.

Одной из первых моделей в истории науки была модель строения вещества из неделимых и неизменных атомов. Эта модель помогла понять большинство природных процессов, с которыми человек встречается ежедневно, и дать им естественное объяснение. И хотя современные представления об атомах существенно отличаются от представлений Демокрита, в основе своей атомистическая модель строения вещества оказывается применимой в науке и сегодня.

Развитием атомистической модели строения вещества стала модель идеального газа. Эта модель позволила от качественного объяснения природных явлений перейти к установлению количественных связей между различными физическими величинами, характеризующими свойства газов. На основе этой модели была выведена формула, определяющая давление p газа через концентрацию n молекул газа и среднюю кинетическую энергию E одной молекулы: p = nE, и установлено, что средняя кинетическая энергия E беспорядочного поступательного движения молекул идеального газа пропорциональна абсолютной температуре T газа:

где k — коэффициент пропорциональности, k = 1,38 ·1023 Дж/К — постоянная Больцмана.

Создание М. Фарадеем моделей электрических и магнитных полей как непрерывных, заполняющих все мировое пространство, материальных носителей электромагнитных взаимодействий тел способствовало быстрому прогрессу в экспериментальных и теоретических исследованиях электромагнитных явлений.

После создания абстрактной модели наблюдаемого явления следует этап математического развития гипотезы. Если он приводит к выводу следствий, не известных ранее науке и доступных экспериментальной проверке, то гипотеза становится физической теорией.

Физическая теория — система обобщенных знаний, которая описывает, объясняет совокупность явлений реального мира и предсказывает какие-то новые явления или свойства исследуемых объектов. В отличие от практики теория не содержит процесса непосредственного взаимодействия человека с реальным миром.

Предметом изучения теории являются абстрактные понятия, созданные мыслью, умом человека на основе практики взаимодействия человека с реальным миром.

Научная теория для объяснения известных научных фактов предлагает в качестве гипотезы мысленную модель изучаемых объектов и явлений реального мира, не содержащую внутренних логических противоречий. Из этой гипотезы выводят следствия, неизвестные ранее и допускающие экспериментальную проверку.

Например, господствовавшее в науке на протяжении почти двух тысячелетий мнение, высказанное Аристотелем о том, что тяжелые тела падают на землю быстрее легких, Галилей опроверг, бросая шары различной массы с Пизанской башни. Однако, установив опытным путем законы падения тел на Землю, Галилей не смог объяснить причину их падения. И только И. Ньютон высказал гипотезу, согласно которой причиной падения всех тел является притяжение их к Земле. Затем эта гипотеза, получив математическое оформление, перешла в закон всемирного тяготения, согласно которому масса тела оказалась не только мерой силы притяжения любых тел к Земле, но и мерой силы взаимодействия этих тел с другими телами во Вселенной.

Физическая теория объединяет несколько опытных закономерностей и гипотез и дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения. Теория позволяет не только объяснять уже наблюдавшиеся явления, но и предсказывать новые.

Так, Д. И. Менделеев на основе открытого им периодического закона предсказал существование нескольких новых химических элементов.

Все физические теории построены либо по методу принципов, либо по методу модельных гипотез.

В основе физической теории, построенной по методу принципов, лежат два-три исходных положения, полученные путем обобщения большого числа экспериментальных фактов. Эти положения составляют принципы теории. Все другие экспериментальные факты объясняются или предсказываются в ходе теоретических построений, опирающихся на эти принципы. Так построена, например, классическая механика, в основе которой лежат три закона Ньютона.

Если физическая теория построена на основе модельной теории, то обычно предлагается какая-либо модель как некий образ, упрощенно характеризующий рассматриваемый материальный объект. Например, можно представить, как «выглядит» атом любого вещества (как он устроен), что удерживает электроны и ядро в едином целом и почему атом во многих явлениях «неделим», каким законам подчиняется движение электронов в атоме, и т. д.

С помощью модели электрона и электромагнитного поля ученые пытаются объяснить различные физические явления (например, электризацию тел, происхождение электрического тока, намагничивание тел). Если объяснение удается, то модель признается правильной. В ходе познания модель обычно уточняется, углубляется и более точно отражает свойства реального объекта.

Однако физике известны как плодотворные теории, так и ошибочные, не выдержавшие экспериментальной проверки, например теория теплорода. Эта теория объясняла нагревание тел увеличением, а охлаждение — уменьшением содержащегося внутри них теплорода. Но простейшие явления, например нагревание тел при трении, она объяснить не могла.

Заключительным этапом метода научного познания является экспериментальная проверка гипотезы или теории. Эксперимент — это специально поставленный опыт, который позволяет практически проверить ту или иную закономерную связь явлений.

Например, давление света теоретически предсказал английский физик Дж. Максвелл еще в 1873 г., но экспериментально его обнаружил и измерил русский ученый П. Н. Лебедев только в 1890 г.

До тех пор, пока гипотеза или теоретические выводы, следующие из нее, не подтверждены экспериментально, содержащиеся в них утверждения считаются предположительными. Экспериментально проверяются также устойчивые количественные связи между явлениями, выраженные в виде математических формул.

Если такая зависимость установлена, то говорят, что открыт опытный физический закон.

В связи с огромной ролью эксперимента в физике ее считают экспериментальной наукой. Но при изучении любого физического явления в равной мере необходимы и эксперимент, и теория.

Нередко теоретические выводы не полностью согласуются с результатами экспериментальных исследований. Обычно это ведет к уточнению (часто к усложнению) гипотезы или приемов вычислений. Изучение явления осуществляется заново, но уже на иных основах, более точно отражающих реальную действительность.

«Наблюдение — теория — эксперимент, и снова все сначала — такова бесконечная, уходящая ввысь спираль, по которой движутся люди в поисках истины», — писал известный отечественный физик Б. Мигдал.

Физические законы и границы их применимости. Физический закон устанавливает количественную зависимость одних физических величин от других. Законы могут быть получены двумя способами: в результате обобщения данных экспериментов (опытные законы) или путем выводов из известных законов (теоретические законы).

Некоторые законы, открытые опытным путем, позже получили теоретическое объяснение, например опытный закон Архимеда.

Поскольку законы всегда базируются на ограниченном экспериментальном материале, они приблизительны и имеют границы применимости.

Следует отметить, что связи между физическими величинами, характеризующими различные физические процессы, бывают двух видов — динамические и статистические. Динамическими называют такие закономерности, в которые точно известные причины позволяют получать точно известные следствия.

Динамический характер имеют закономерности взаимодействия тел силами всемирного тяготения, действия электромагнитных полей на электрические заряды и многие другие.

Статистическими называют такие закономерности, в которых точно известная причина не позволяет получить точно известное следствие, а указывает лишь вероятность. Статистические закономерности устанавливаются в случае взаимодействия большого числа взаимодействующих тел или неконтролируемого и случайным образом изменяющегося во времени внешнего воздействия на одно тело. Статистический характер имеют все закономерности, описывающие процессы в микромире.

Любые физические теории и законы имеют определенные границы применимости. Границы применимости теории определяются, прежде всего, условием применимости физической модели, использованной при создании теории. Экспериментально установленные законы применимы лишь в тех условиях, в которых они установлены.

Например, если в молекулярно-кинетической теории использована модель идеального газа, то выводы и законы этой теории применимы к реальным газам лишь в том случае, если свойства реального газа приближаются к свойствам идеального газа. Закон сохранения энергии установлен экспериментально для изолированных систем, поэтому и ожидать его выполнения можно лишь в изолированных системах.

Классический закон сложения скоростей экспериментально установлен в опытах при значениях скоростей движения тел, значительно меньших скорости света. Поэтому нет оснований для уверенности в его применимости при скоростях движения, близких к скорости света. И в экспериментах действительно обнаружено, что при скоростях, близких к скорости света, действует другой закон сложения скоростей, названный релятивистским законом сложения скоростей.

Связь физики с астрономией Физика изучает общие законы природы, и поэтому многие естественные науки тесно связаны с физикой. В частности, существуют такие смежные разделы этой науки, как биофизика, геофизика, физическая химия и т. п. Но особенно тесно связана с физикой астрономия. Астрономия изучает движение звезд, планет, спутников, процессы, происходящие в атмосфере планет, в звездах и других небесных телах (рис. В.1, В.2). Ведущим разделом современной астрономии является астрофизика.

Астрофизика — это часть астрономии, которая изучает физические свойства небесных тел и процессы, протекающие в них и в космическом пространстве.

При этом широко используются физические законы, поэтому она и получила такое название. Так, с одной стороны, астрофизика занимается разработкой и применением физических методов исследования небесных тел, а с другой — на основании законов физики дает объяснение наблюдаемым во Вселенной явлениям и процессам. Например, одним из важнейших методов изучения состава вещества является спектральный анализ, который позволил доказать, что звезды и Земля состоят из одних и тех же химических элементов (атомов), что свидетельствует о единстве вещества во Вселенной. Кроме того, астрофизика является важным стимулом для развития современной теоретической физики.

Например, вопрос об атомной энергии начал разрабатываться на основе данных об энергетической светимости Солнца и звезд.

Наконец, астрономические наблюдения позволяют изучать поведение вещества в таких условиях, которые искусственным путем в земных условиях неосуществимы. С этой точки зрения Вселенную можно рассматривать как неповторимую и неисчерпаемую природную физическую лабораторию. Например, большинство так называемых элементарных частиц было открыто в космосе.

Средняя энергия частиц первичного космического излучения (на верхней границе атмосферы) составляет около 104 МэВ. Отдельные частицы обладают энергией порядка 1012 МэВ, т.е. космичесРис. В. кие лучи являются источником частиц сверхвысоких энергий, еще не достигнутых в лабораторных условиях. При взаимодействии таких частиц с веществом происходят принципиально новые Рис. В. ядерные реакции, изучение которых углубляет наши знания о свойствах ядер и элементарных частиц.

Космос — это природная физическая лаборатория. В ней интенсивно происходят явления, невозможные в земных условиях (например, нагревание тел до миллионов градусов). В космосе есть небесные тела, подобные Земле, какой она была миллионы лет назад или какой она станет в далеком будущем. Поэтому, изучая космос, человек углубляет свои знания о Земле, в том числе и о самом себе.

Земля — это мизерная часть Вселенной. На процессы, протекающие в земной атмосфере, и на жизнедеятельность всех организмов на Земле существенное влияние оказывают другие планеты, а также Солнце и Луна. Это тоже объекты изучения астрофизики — науки, раскрывающей двери перед человечеством в огромнейший, удивительный и прекрасный мир звезд, комет, туманностей и галактик, определившей пространственные и временные масштабы этого динамического и сложного мира.

Раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие небесных тел, называется космогонией (от греч. kosmos — Вселенная и genos — происхождение). Космогония отвечает на вопросы, как и когда возникли Вселенная, галактики, звезды, планеты, какие на них происходят физические изменения и процессы.

Космология представляет собой учение о Вселенной в целом, о ее наиболее общих свойствах.

Значительно увеличила возможности изучения Земли и других небесных тел космонавтика (от греч. kosmos + pautike — кораблевождение) — наука о полетах в космическое пространство; совокупность отраслей науки и техники, которые проводят исследования и освоение космического пространства для нужд людей с использованием космических летательных аппаратов. Космонавтика решает следующие проблемы: расчет траектории, конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых комплексов, систем связи и информации, создание бортовых систем обеспечения жизнедеятельности человеческого организма в условиях космического полета и др.

Основоположником космонавтики является выдающийся русский ученый Константин Эдуардович Циолковский (1857 – 1935), который теоретически обосновал возможность покорения космоса с помощью ракет. На практике это осуществил академик Сергей Павлович Королев (1906 –1966). Начало практической космонавтике было положено 4 октября 1957 г., когда в нашей стране был запущен первый искусственный спутник Земли. Вскоре после этого, в 1959 г., были запущены отечественные межпланетные автоматические станции для исследования Луны и получены фотографии ее обратной, не видимой с Земли, стороны. Cтарт «Востока» 12 апреля 1961 г. с первым в мире космонавтом Юрием Алексеевичем Гагариным (1934 – 1968) на борту открыл век космических полетов.

В 1969 г. американские астронавты Н. Армстронг и Э. Олдрин вышли из космического корабля на поверхность Луны. Космические исследования не ограничиваются изучением Земли и ее спутника Луны.

В настоящее время запущены автоматические межпланетные станции к Марсу, Венере, Юпитеру. Обсуждается идея совместной экспедиции отечественных и американских астронавтов к планете Марс.

Единство законов природы для земных и космических явлений тесно связывает физику и астрономию. Так, движение планет вокруг Солнца и падение тел на землю происходит под действием одной и той же силы — силы тяготения (гравитационной). Движение космических аппаратов осуществляется по законам, которые были открыты на Земле при изучении движения свободно падающих тел.

Развитие астрономии, в частности астрофизики и космонавтики, способствует развитию физики. Вселенная для ученых представляет собой огромную физическую лабораторию. Вещество в ней находится нередко в таких состояниях, которые нельзя получить в земных условиях.

Многие физические открытия были сделаны при анализе явлений в космосе. Так, инертный газ гелий (от греч. helios — Солнце) был открыт при исследовании солнечного света, а затем его обнаружили в атмосфере Земли.

Р оль физики в технике, производственной деятельности человека и в развитии цивилизации Развитие физики обусловлено потребностями техники. С одной стороны, необходимость технического прогресса определяет тематику физических исследований, с другой стороны, от уровня развития техники зависят возможности применяемой в научных исследованиях аппаратуры.

Между наукой и производством, наукой и практикой имеются довольно сложные отношения, но независимо ни от чего все эти виды человеческой деятельности не могут существовать без полной взаимообусловленности и взаимосвязи. Можно привести множество примеров, когда наука (теория) обгоняла практику и, наоборот, практика (техника) влияла на развитие теории.

Известно, что теоретические основы движения тел за пределами земного тяготения были сформулированы в трудах И. Кеплера (1571– 1630) и И. Ньютона (1643 –1727), открывших законы движения небесных тел и выяснивших причины этого движения. Однако от теории до практического использования этих законов в космонавтике прошло около трех столетий, пока не были подготовлены технические условия для запуска первого искусственного спутника Земли и полета человека в космос: изготовлены особо прочные материалы для постройки космического корабля, создано горючее для двигателей, разработаны средства управления и связи, а главное — открыт новый вид движения и сконструированы реактивные двигатели и ракеты, способные вывести полезную нагрузку за пределы Земли. Еще одним примером открытия, сделанного «на кончике пера», служит расчет орбиты планеты Нептун, а затем и ее обнаружение в 1846 г. Так было еще раз продемонстрировано величие науки, важное значение теории в процессе познания окружающего мира.

Приведем несколько обратных примеров. Несмотря на то что люди уже давно использовали в практике тепловые явления и даже создали паровые машины, теория тепловых двигателей была предложена С. Карно лишь в 1824 г. и только тогда был показан метод исследования процессов и определения коэффициента полезного действия этих машин. Появились двигатели внутреннего сгорания, холодильные машины и реактивные двигатели.

Физика имеет огромное практическое значение. На основе фундаментальных физических теорий развиваются современная техника и вместе с ней производительные силы общества. В наши дни, в эпоху интенсивного научно-технического прогресса, осуществляется непосредственная связь науки (прежде всего физики) с производством. Этим объясняется невиданный ранее технический прогресс, характерный для современного общества.

Вся современная техника основана на широком применении результатов исследований в физике. Физику поэтому считают основой техники, подчеркивая, что физика сегодня — это техника завтра. Примером, подтверждающим эту мысль, может служить компьютеризация современного производства, проникновение электронно-вычислительной техники во все сферы жизни человека. Движением современных воздушных и океанских лайнеров, полетом космических кораблей, автоматическими процессами управляют электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Они производят сложнейшие математические расчеты и решают задачи в различных отраслях человеческой деятельности (от управления производством до медицины и лингвистики). В настоящее время создаются ЭВМ, производящие несколько миллионов математических операций в секунду. Как же велики силы человеческого ума, создавшего себе такого умного помощника!

Компьютеризация как одно из направлений научно-технического прогресса основана также на достижениях физики, в частности физической электроники, в рамках которой создаются компактные полупроводниковые и магнитные элементы, входящие в конструкции ЭВМ. Пока с компьютеризацией производства в нашей стране дело обстоит несколько хуже, чем в ряде других цивилизованных стран.

На законах физики основана работа разнообразных машин, используемых в промышленности, сельском хозяйстве, железнодорожном, воздушном, автомобильном, водном транспорте. Современная промышленность черной и цветной металлургии, машиностроение, химическая промышленность, станкостроение, пищевая промышленность, промышленность строительных материалов и многие другие отрасли народного хозяйства нуждаются в контроле и управлении технологическими процессами. Контроль и управление технологическими процессами в настоящее время при широко развитой автоматизации производств осуществляются разнообразными теплофизическими, электронными, радиоэлектронными, оптическими приборами и ЭВМ. Поэтому появились целые отрасли приборостроительной промышленности, неразрывно связанные с физическими лабораториями университетов и научно-исследовательских институтов Российской академии наук (РАН). Наука в физических лабораториях становится производительной силой.

Наша жизнь невозможна без энергетики, в основе которой также лежат законы физики из таких ее разделов, как термодинамика, электродинамика, атомная и ядерная физика. О степени развития государства и уровне жизни народа судят по энерговооруженности.

Достижения физики второй половины XX в. глубоко проникли и в другие отрасли научных знаний. Если ранее в области естественных наук происходил процесс обособления, дифференциации отдельных наук (биологии, геологии, химии и др.), то теперь в результате расцвета физических знаний и методов исследований вновь началось их сближение и появились интегративные науки, такие как биофизика, геофизика, физическая химия, химическая физика, агрофизика, астрофизика, радиоастрономия и др.

Комплексное изучение физических процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере и земной коре, разными науками позволяет оптимально и целенаправленно решать экологические проблемы, связанные с работой промышленности и транспорта.

Люди с древних времен пользовались духовыми и струнными музыкальными инструментами. Однако развитие радиоэлектроники, физики электромагнитных колебаний способствовало созданию принципиально новых музыкальных инструментов. Цветомузыка вышла из периода лабораторных экспериментов и получила путевку в жизнь. Сейчас никого уже не удивляют звуковое, широкоэкранное и широкоформатное кино, стереокино, микрофоны, усилители, видеомагнитофоны, стереопроигрыватели, DVDпроигрыватели и другие аппараты записи и воспроизведения звука, а ведь в основе всего этого лежит физика!

Вам, может быть, кажется, что мы перегнули палку с высокой оценкой физики как лидера естествознания? Действительно, физика дала человеку не только выход в космос, ЭВМ, атомную энергию, но и трагедию Хиросимы, Нагасаки, Чернобыля. Не несет ли наука человечеству горе и страдания? Не следует ли в связи с этим притормозить развитие науки? Как бы вы ответили на эти вопросы? А вот что сказал по этому поводу известный физик А. Эйнштейн: «Открытие деления урана угрожает цивилизации не более чем изобретение спичек. Дальнейшее развитие человечества зависит от его моральных устоев, а не от уровня технических достижений». Подумайте над тем, как бы вы развили и обосновали эту мысль (подискутируйте с А. Эйнштейном).

Притормозить и остановить развитие науки нельзя. Наука обеспечивает развитие производства, при этом возникают новые вопросы, нуждающиеся в научных ответах. Потребности производства являются движущей силой развития науки. Но дело не только в этом. Выдающийся французский физик Луи де Бройль отмечал: «Научный прогресс во многом обязан чувству. Если он существует, то потому, что люди любили и любят науку». И эта любовь неистребима, так как человек — мыслящее существо. «Мыслю — значит существую», — подчеркивал французский мыслитель Р. Декарт. А мысли не остановишь. Останавливать надо не мысль, не науку, а безнравственные действия людей, которые в варварских и бесчеловечных целях используют самые выдающиеся достижения человеческого ума. Физику, как правило, делают люди с чистой совестью. Вот несколько штрихов к портретам отдельных физиков, отражающих их мысли и поступки.

Пьер Кюри — известный французский физик, изучавший радиоактивность, — подверг радиоактивному излучению свою руку, чтобы исследовать его физиологическое действие, тогда еще никому не известное. Возникла большая язва, которая медленно заживала, а он скрупулезно описывал воздействие излучения на руку и ход заживления язвы. В ответ на сообщение о представлении его к ордену он ответил: «Прошу Вас, будьте любезны передать господину министру мою благодарность и осведомить его, что я не имею никакой нужды в ордене, но весьма нуждаюсь в лаборатории». На вечере, посвященном его чествованию, главным занятием П. Кюри был подсчет в уме числа физических лабораторий, которые можно было бы оборудовать на выручку от продажи золотых и бриллиантовых украшений, принадлежащих дамам высшего общества, присутствовавшим на этом торжестве.

Как видим, роль физики в материальной и духовной жизни человека настолько велика, что ее элементы подобно литературе и музыке несомненно должны быть достоянием каждого культурного человека. По мнению лауреата Нобелевской премии профессора И. А. Раби, физика составляет сердцевину гуманитарного образования нашего времени.

Понятие о физической картине мира Чрезвычайно велико философское значение физики. Представление о строении и развитии Вселенной в свете последних научных открытий, а также законов, описывающих известные формы движения материи, составляет современную физическую картину мира — основу научного мировоззрения. В то же время возникает вопрос: является ли эта картина вполне законченной, истинно отражающей реально существующий мир?

Стремление создать единую теорию, объясняющую общее развитие природы как на Земле, так и во всей Вселенной, имеет давнюю историю. Еще в XVIII в. сложилась механическая картина мира. Ученым того времени казалось, что закон всемирного тяготения и законы динамики И. Ньютона объясняют не только устойчивость Солнечной системы, но и всевозможные движения в окружающей человека природе, во Вселенной.

Основной смысл механической картины мира образно выразил один из создателей теоретической механики французский ученый П. Лаплас: «Дайте мне начальные условия, и я рассчитаю весь мир». Следовательно, все многообразие явлений во Вселенной сводилось к чисто механическому движению.

В XIX в. началась коренная ломка общих представлений о законах природы, радикально изменившая все наше миропонимание. Благодаря развитию учения о свойствах света, а также электродинамике Д. К. Максвелла физика окончательно была освобождена от оков чисто механической картины мира, которая не могла объяснить многие наблюдаемые явления в природе. Началось становление новой электромагнитной, или классической, картины мира, в рамках которой механическое взаимодействие частиц и тел дополнялось электромагнитным взаимодействием. Однако незыблемым принципом, провозглашенным еще И. Ньютоном, оставался принцип абсолютного пространства и времени. Считалось, что пространство одинаково всегда и везде и не зависит ни от физических тел, которые в нем находятся, ни от явлений, которые в нем происходят. Образно говоря, пространство — это сцена, на которой разыгрываются реальные события. Но даже если на сцене нет «актеров», сцена остается сценой. В том же смысле говорилось и о времени. Оно течет само по себе равномерно во всех точках пространства и ни от каких физических процессов и явлений не зависит. Согласно классической картине мира Вселенная бесконечна в пространстве и времени и в целом абсолютно неизменна. Она всегда была таковой, какова сейчас, и всегда таковой останется. Только отдельные тела во Вселенной имеют свою историю. Они возникают, развиваются, гибнут. Из вещества погибших тел образуются новые тела. Говорить же об истории самой Вселенной не имеет смысла.

В XX в. в связи с открытием релятивистских и квантовых законов физики произошел очередной революционный переворот в стиле человеческого мышления. Он расширил его рамки и принципы, уверенно вывел науку за пределы наглядного, в глубины мировоззрения. Современная физика овладела и оперирует формальным с такой же легкостью и уверенностью, как и наглядным.

В этом неоценимый вклад новой физики в общечеловеческую культуру. При этом классическая картина мира уступила место современной. Эта смена происходила в упорной борьбе идей, гипотез, теорий. Наиболее важные из этих теорий — теория относительности, квантовая теория, теория горячей Вселенной — лежат в основе современной физической картины мира.

Итак, анализируя изложенное, мы видим, что по мере развития науки одна картина мира сменяла другую. Вот почему нельзя утверждать, что современная картина мира не будет заменена в будущем более совершенной.

Но тогда возникает вопрос: какой смысл ее изучать, а тем более классическую физику? На этот вопрос дал исчерпывающий ответ выдающийся датский физик, лауреат Нобелевской премии Нильс Бор. Он выдвинул принцип, согласно которому новая теория не отменяет старую теорию, а только включает ее в себя как частный предельный случай.

Действительно, при решении многих практических задач нас вполне устраивает классическая физика. Чтобы построить дом, собрать автомобиль или токарный станок, запустить искусственный спутник Земли, достаточно прочных знаний классической физики. Однако создать лазер, атомный ледокол или термоядерный реактор без знаний современной физики уже нельзя.

В то же время, не изучив классическую физику, невозможно понять квантовую теорию и теорию относительности. Также невозможно осмыслить проблемы современной астрофизики и теорию горячей Вселенной, не разобравшись в вопросах элементарной астрономии, которая начинается с визуальных наблюдений неба.

Мир — это единое целое, и человек может и должен создать в своем сознании общую картину природы. Уверенность в этом была и остается источником неиссякаемого оптимизма и необычайной настойчивости, с которыми физики всех эпох искали и ищут общие законы природы, из которых складывается обобщенный образ, модель природы, лежащая в основе нашего миропонимания. «Человек стремится каким-то адекватным способом создать в себе прочную и ясную картину мира. Высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных законов, из которых можно получить картину», — отмечал А. Эйнштейн.

Можно забыть законы Архимеда и Ома, явление диффузии и многое другое, что есть в физике (если твоя профессия не связана с точными науками), и быть культурным человеком. Однако у каждого из вас в результате изучения физики должно сложиться прежде всего общее понимание того, как устроен мир, т. е. физическая картина мира. Таким образом, физика как наука, дающая методологические и мировоззренческие знания и нормы мышления, есть важнейший элемент общечеловеческой культуры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Как понимают термин «физика» в современной науке?

2. Что такое материя?

3. Каковы структурные уровни организации материи?

4. Что изучает физика? В чем состоит задача физики?

5. Какие науки о природе вам известны? Связаны ли они между 6. Почему физику считают лидером естествознания?

7. Как связаны между собой физика и астрономия?

8. Как связаны между собой физика и техника, физика и производство?

9. Что представляет собой естественно-научный метод познания?

10. Что представляют собой физические законы и каковы границы их применимости?

11. Используя свои наблюдения за окружающим миром, приведите примеры, иллюстрирующие применение физики в производстве и технике.

12. В какие сферы жизни, по вашему мнению, еще не проник научно-технический прогресс?

13. С вашей точки зрения, не несет ли наука человечеству страдания?

14. Какую роль играет физика в жизни современного общества?

15. Какое место занимает физика в системе культуры в условиях научно-технического прогресса?

16. В чем заключаются общечеловеческие ценности физики?

17. Что представляет собой современная физическая картина 18. Каковы перспективы и направления развития современной научной картины мира?

Темы докладов и рефератов 1. Материя, формы ее движения и существования.

2. Первый русский академик М.В.Ломоносов.

3. Великий Н.Коперник и революция в естествознании.

4. К.Э.Циолковский — основоположник космонавтики, ученый и патриот.

5. Достижения современной космонавтики и перспективы ее развития.

6. Искусство и процесс познания.

7. Физика и музыкальное искусство.

8. Воздействие света на произведения искусства.

9. Цветомузыка.

10. Физика в современном цирке.