Лекция 1 Физика – фундаментальная наука о природе Алексей Викторович Гуденко 08/02/2014

План лекции 1. Физика – наука о природе. – Фундаментальные законы – Примеры необычных физических явлений (тепловой и электро- двигатели, велосипедное колесо, кипение холодной жидкости, левитация карандашного грифеля) – Научный метод (Айсберг, Желоб Галилея) – Инерциальные системы отсчёта. Свободное тело. Принцип относительности. 2. Фильм «Чем занимается физика»

Бабочка на окне

Демонстрации Тепловой и электро- двигатели Велосипедное колесо и китайский волчок Левитация грифеля Неуравновешенные шарики Кипение воды (молока) Труба, желоб Галилея Воздушная дорога

Что такое физика Физика это естественная наука, изучающая фундаментальные, наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения.

Физический закон Физический закон – это количественное соотношение между физическими величинами, которое устанавливается на основе обобщения опытных фактов и выражают объективные закономерности, существующие в природе.

Что такое физика Физика – наука фундаментальная. Физика – наука естественная. Фундаментальность означает, что законы или принципы не могут быть доказаны логическим путём. Их доказательством является опыт.

Фундаментальные законы – это что? «Называем мы их фундаментальными потому, что законы их действия фундаментально просты» Ри́чард Фе́йнман (Richard Feynman) ( ) выдающийся американский учёный. Один из создателей квантовой электродинамики. В годах входил в число разработчиков атомной бомбы в Лос-Аламосе. Лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г.

Закон всемирного тяготения - фундаментальный физический закон F = GmM/r 2

Принципы научного метода по Эйнштейну «Высшим долгом физиков является поиск тех общих элементарных законов, из которых путём чистой дедукции можно получить картину мира. К этим законам ведёт не логический путь, а только основанная на проникновении в суть опыта интуиция»

Исаак Ньютон «Что такое время, пространство, место и движение, я не объясняю, так как это известно всем» Сэр Исаа́к Нью́то́н ( Sir Isaac Newton ) ( ) английский физик, математик и астроном, основатель классической механики. Автор фундаментального труда «Математические начала натуральной философии», в котором он изложил закон всемирного тяготения и три закона механики, ставшие основой классической механики.

Единицы и размерности физических величин Международная система единиц СИ: основные механические единицы: метр (м); килограмм (кг); секунда (с). Секунда – это промежуток времени, в течение которого совершается колебаний электромагнитного излучения, соответствующее переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия- 133 в отсутствие внешних полей (атомные часы). Метр – это длина пути, проходимая светом в вакууме за 1/ долю секунды. Килограмм – масса платино-иридиевого тела в Международном бюро мер и весов в Севре (близ Парижа).

Научный метод по Ломоносову Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) Великий русский учёный, зачинатель науки в России; экспериментально доказал закон сохранения массы, открыл атмосферу на Венере, создал основы русского научного языка. «Из наблюдений установлять теорию, через теорию исправлять наблюдения, - есть лучший всех способ к изысканию правды» «Мысленные рассуждения произведены бывают из надёжных и много раз повторённых опытов»

Самый простой тепловой двигатель Самый простой электродвигатель

Левитация карандашного грифеля (фото)

Левитация карандашного грифеля (видео)

«Неуравновешенные» (!?) шарики

Уравновешиваем

Вода кипит при комнатной температуре! А будет ли убегать кипящее под вакуумом молоко?

«Непадающее» колесо

Научный метод Основной метод исследования в физике является опыт, эксперимент, т.е. наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздать его каждый раз при повторении этих условий. – Наблюдение – Размышление – Гипотезы, модели, теории – Эксперимент

Переворот айсберга

Эксперимент

Гипотезы, теория Из-за таяния поперечные размера айсберга уменьшаются вдвое быстрее, чем вертикальные. Айсберг абсолютно неустойчив, если его характерные поперечные размеры на 20% меньше размеров вертикальных c c a)b)

Измеряем размер модельного «айсберга»:10 х 10 х 8 см 3 температура воды t 0 = 20 0 C время переворота T = 30 минут. – Каковы размеры «айсберга» непосредственно перед опрокидыванием? – Через какое время опрокинется реальный айсберг с размерами 500 х 500 х 400 м 3 в океане при температуре 5 °С? Каковы размеры перевернувшегося айсберга?

Считаем Если толщина растаявшего льда x, то к моменту переворота: (a 0 – 2x) = 0,8(c 0 - x) x = 3 см Размеры перевернувшегося модельного «айсберга» 4 х 4 х 5 см 3

Реальный айсберг Реальный айсберг с размерами 500 х 500 х 400 м 3 к моменту переворота будет иметь размеры 200 х 200 х 250 м 3. Толщина растаявшего льда X = 150 м. Переворот произойдёт через время: τ = τ 0 (X/x) (t 0 /t) 1 год и 2 месяца.

Инерциальная система отсчёта. Принцип относительности Все законы природы имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчёта Все физические явления протекают одинаково в различных ИСО. ИСО – система, связанная со свободно движущимся телом.

Физическая модель Модель – это идеальный объект, отражающий существенные для данного явления свойства. На вопрос, что существенно, а что нет может ответить только опыт. Примеры моделей: материальная точка, абсолютно твёрдое тело, идеальная жидкость, идеальный газ.

Галилео Галилей – первый физик, основатель научного метода Принцип относительности: «Дайте движение кораблю, и притом с какой угодно скоростью; тогда (если только движение его будет равномерным, а не колеблющимся туда и сюда) вы не заметите ни малейшей разницы» Закон инерции: «…если бы все сопротивления были уничтожены, то его (тела) движение было бы вечно равномерным, если бы плоскость простиралась в бесконечность» («неистребимо запечатлённое движение»). Законы свободного падения: скорость нарастает пропорционально времени, а путь пропорционально квадрату времени. Научный метод – наблюдение, размышление и опыт ГАЛИЛЕЙ, ГАЛИЛЕО (Galilei, Galileo) (1564–1642) итальянский физик, механик и астроном. Основоположник экспериментально- математического метода исследования природы В 1992 папа Иоанн Павел II объявил решение суда инквизиции ошибочным и реабилитировал Галилея.

Свободное падение тел. Все тела, независимо от их массы, в поле тяжести Земли приобретают одинаковые ускорения (падение в вакууме) Гипотеза: скорость нарастает линейно закон нечётных чисел: S 1 : S 2 :S 3 …= 1:3:5… Эксперимент: жёлоб Галилея

Закон всемирного тяготения Жёлоб Галилея: закон нечётных чисел Свободное падение вблизи Земли: H = 4,9 м за секунду; R = 6380 км; r = км 60,2R h = H/60,2 2 1,352 мм Что на самом деле? Рассчитаем «падение Луны»: T = 27,3 суток; скорость Луны v = 2πr/T 1,02 км/с; за секунду Луна падает на h r = (vt) 2 /2r 1,355 мм h h r

Петр Леонидович Капица – основатель Физтеха На дне стакана, стоящего на весах, сидит муха. В какой момент весы начнут чувствовать, что муха улетела? Какие движения должен совершать человек, чтобы вращать обруч? С какой скоростью должен бежать по воде человек, чтобы не тонуть? Почему жидкий азот ( С) можно лить на руку, не боясь «ожога»? Какого цвета будет казаться красная жидкость, если сосуд с ней поместить в сосуд с синей жидкостью? Петр Леонидович Капица (1894–1984) Выдающийся российский физик, академик. Открыл сверхтекучесть жидкого гелия. Основатель Физтеха, системы Физтеха. Лауреат Нобелевской премии по физике 1978 года

О бесконечности «Есть две бесконечные вещи Вселенная и человеческая глупость. Впрочем, насчёт Вселенной я не уверен».

Познаваем ли мир? Альбе́рт Эйнште́йн ( Albert Einstein ) ( ) физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года. «Самое непостижимое в этом мире это то, что он постижим».