Лекции по физике, Д 1курс, 2011-12 уч.г. стр. 16 из 16

В В Е Д Е Н И Е В К У Р С Ф И З И К И

Предмет физики

Слово «физика» происходит из Древней Греции и означает «природа». В эпоху античной культуры (более 20 веков назад) всю совокупность знаний о явлениях природы охватывала единая наука. По мере накопления знаний и методов исследования она разделилась на отдельные самостоятельные естественные науки: физику, химию, биологию, геологию, астрономию и т.д. В современной системе наук физика изучает наиболее простые и общие формы движения материи, которые проявляются, в том числе, в явлениях и объектах изучения других естественных наук. Поэтому без понимания физики и знания ее законов невозможна осознанная практическая деятельность как в области техники, так и в других профессиональных сферах.

Предметом изучения физики является физическая материя Согласно современным представлениям, она имеет две формы существования - частицы и поля: материя из формы «частица» может переходить в форму «поле» и наоборот. Пространственная протяженность изучаемых физикой объектов составляет от размера видимой части Вселенной в 10²⁶ м, до размера исследуемой структуры элементарных частиц в 10^-18 м. и различается в 10⁴⁴ раз. В зависимости от размеров объекты и происходящие в них явления делятся на макроскопические и микроскопические. Границей между ними служит размер атома, имеющий порядок 10^-10 м. Самые протяженные и самые короткие промежутки времени, доступные физическому изучению, различаются в 10²⁹ раз. Явления макро- и микромира также различаются продолжительностью происходящих в них процессов. Ни частицы, ни поля не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, а именно, с=3^.10⁸ м/с. Это фундаментальный закон природы, т.е. закон, основанный на опыте. Движение со скоростью v<<c называется нерелятивистским, движение со скоростью v≤c называется релятивистским. Напомним, что первая космическая скорость, которую надо сообщить телу, чтобы вывести его на орбиту спутника Земли, составляет около 8 км/с. Такая скорость, весьма большая с точки зрения современной техники, соответствует нерелятивистскому движению.

Физика – экспериментальная наука, ее законы базируются на опыте. Физическая теория отражает определенный объем знаний о мире и имеет определенную область применимости. Ее границы уточняются по мере накопления новых знаний. Появление таких новых знаний приводит к формированию новой физической теории, которая не отменяет предыдущую, а лишь четко обозначает ее границы применимости. Новая теория включает в себя предыдущую теорию как частный случай.

Все современные физические знания составляют содержание двух теорий - классической и квантовой. Классическая теория является теорией макромира, она сформировалась к началу XX века, когда появление новых знаний обнаружило границы ее применимости. Возникла новая теория – квантовая. Количественной границей между классической и квантовой физическими теориями является фундаментальная физическая константа – постоянная Планка h=6,625^.10^-34 Дж^.с. Она называется квантом действия. Ее размерность соответствует произведению массы на скорость и на длину: mvr, где m-масса частицы, v – скорость ее движения, r – линейные размеры области движения. Частица называется классической и подчиняется законам классической физики, если mvr>>h. Частица называется квантовой и подчиняется законам квантовой физики при выполнении условия mvrh. Квантовая теория имеет более широкую область применения, нежели классическая, и успешно описывает явления как микроскопические, так и макроскопические. Величины, описывающие классическую частицу и имеющие размерность кванта действия (mvr), выражаются числами, по сравнению с которыми численное значение постоянной Планка столь мало, что им можно пренебречь и считать равным нулю. Уравнения и формулы квантовой теории используют более сложный математический аппарат, нежели формулы классической теории, а понятия и модели квантовой теории менее наглядные, чем классические. Квантовые уравнения в предельном переходе при h →0 приобретают вид аналогичных им классических. Это утверждение называется принципом соответствия и означает, что квантовая теория включает в себя классическую теорию как частный случай. Поэтому классическая теория в области ее применимости не утратила своего значения и в значительной степени остается теоретической базой инженерных знаний. Классическая и квантовая теории в зависимости от скорости движения изучаемых объектов подразделяются на нерелятивистскую (v<<c) и релятивистскую (v≤c). Формулы релятивистского и нерелятивистского движений различны, но для них выполняется тот же принцип соответствия: релятивистские уравнения в предельном случае v<<c, когда можно принять v/c→0, превращаются в свои нерелятивистские аналоги.

Таким образом, в поле современной физики можно выделить четыре области, каждой из которой соответствует своя теория: I – классическая нерелятивистская, опирающаяся на законы Ньютона; II - классическая релятивистская, являющаяся теорией относительности Эйнштейна; Ш – квантовая нерелятивистская, выражением которой является уравнение Шредингера; IV – квантовая релятивистская, выражаемая уравнением Дирака. Схематически это выглядит так:

Классическая физика ( mvr>>h)
I - нерелятивистская (v<<c) Механика Ньютона	 II – релятивистская (v≤c) Теория относительности Эйнштейна
Квантовая физика (mvr≥h)
 III - нерелятивистская (v<<c) Уравнение Шредингера	IV – релятивистская (v≤c)   Уравнение Дирака

Стрелки на схеме указывают на ту область, которая содержится как частный случай в области применимости теории, на обозначении поля которой находится стрелка. Область IV является самой полной физической теорией, применимой для любых классических и квантовых движений. Уравнения этого раздела физики одинаково успешно справятся с расчетом ускорителя заряженных частиц и с расчетом любого технического устройства, например, автомобиля. Однако применение этих уравнений для расчета автомобиля нецелесообразно, так как их освоение требует значительно большего запаса базовых физико-математических знаний, а значит и времени, нежели освоение раздела I –классической нерелятивистской физики. Инженерные задачи чаще всего связаны с классическим нерелятивистским движением, поэтому наиболее подробно в технических вузах изучают именно эту физическую теорию. Изучение областей II и III скорее носит ознакомительный характер, а область IV вообще не затрагивают.