№21 ЕН. Ф.3 Физика (1). Положение об учебнометодических комплексах дисциплин Физика

• Название: Положение об учебнометодических комплексах дисциплин Физика
• Дата: 08.12.2021
• Размер: 1.37 Mb.
• Имя файла: №21 ЕН. Ф.3 Физика (1).doc
• Тип: Учебно-методический комплекс; #295981
• страница: 4 из 7

1.5. Методика изучения физического явления. Физическое явление  самое важное, фундаментальное понятие физики. Оно является центральным, обобщенным понятием, ориентиром в океане физической информации. Общее определение физического явления связано с таким труднейшим понятием, как состояние физической системы, получить представление о котором и, может быть, усвоить можно, лишь изучив полностью курс общей физики. Приведем все же это определение. Физическим явлением называется процесс изменения или положения (конфигурации), или состояния физической системы в результате ее взаимодействия с другими физическими системами

П риступая к изучению курса физики, полезно с самого начала знать, что физика изучает самые разнообразные физические явления. Группа физических явлений, связанных между собой определенными признаками, входит в некоторую физическую теорию. Совокупность физических теорий составляет так называемую физическую картину мира. Физических явлений у нас миллионы. Гром и молния, дождь и ветер, движение планет и звезд, испарение воды в океанах и выпадение росы и т.п.  все это примеры физических явлений. Логический анализ физических явлений показывает, что они имеют одинаковую структуру и, следовательно, каждое из них можно изучить, исследовать и проанализировать одним и тем же способом. Два этих аспекта изучения физического явления (с точки зрения структуры и метода его анализа) рассмотрим ниже. Физическое явление имеет две стороны  качественную и количественную. Качество физического явления характеризуется такими признаками, которые позволяют отличить данное явление от других. Эта группа признаков, во-первых, определяет саму физическую систему, во-вторых, характеристику и свойства объектов системы и, в-третьих, характер самого явления или физического процесса.

Количественная сторона физического явления отражается в физических законах. Физический закон обосновывается или опытным путем или теоретически. При теоретическом выводе закона сначала формулируют условия и предположения, при которых будет выполняться этот закон, затем, применяя соответствующие фундаментальные физические законы и приемы математической логики, составляют замкнутую систему уравнений. После составления системы уравнений можно считать, что физическое явление выражено на языке математических символов. После математических преобразований получают аналитическую формулу физического закона. После этого выясняют его физический смысл, условия применимости и методы использования для решения практических задач.

Р ассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих эти положения.

Математический маятник. Это идеализированная с истема, состоящая из материальной точки массы m ,подвешенной на невесомой и нерастяжимой нити длины L (Рис. 1.5.1). Если вывести маятник из положения равновесия, то он будет совершать колебания. Исследуем это физическое я вление.


L







Р
m
ис. 1.5.1
В физическую систему включили тело массой m. По условию, оно является материальной точкой. Явление заключается в механическом движении материальной точки, которое носит колебательный характер.

Найдем закон этого движения (определим количественную сторону явления). Основные положения модели: система состоит из одной материальной точки, трение отсутствует, сопротивлением воздуха пренебрегаем, нить невесома и нерастяжима, материальная точка движется по окружности.

Воспользуется основным уравнением вращательного движения:

М=J

где М момент силы, J=ml² момент инерции материальной точки (шарика) относительно оси вращения, угловое ускорение ( ) Момент силы тяжести mglsin. Тогда

.

Будем считать, что колебания столь малые, что выполняется условие sin. Тогда получаем дифференциальное уравнение для неизвестной функции :

, (1.5.1)

где . Решение этого уравнения можно записать в виде:

=₀sin(₀t+₀) (1.5.2)

где ₀ амплитуда, ₀ начальная фаза, которые определяются из начальных условий.

Если вместо математического маятника рассмотреть малые колебания физического маятника, то качественно эти явления будут отличаются тем, что объекты этих физических систем различны: в случае математического маятника это материальная точка, а во втором  твердое тело. Следовательно, и физические величины, характеризующие эти объекты, будут различными (в первом случае масса материальной точки m и длина нити l, а во втором  момент инерции Jтвердого тела относительно оси вращения, его масса m, и расстояние d от точки подвеса до центра масс физического маятника). Но форма законов, управляющих этими различными по качеству явлениями, будет одинаковой. Можно показать, что закон движения физического маятника имеет вид:

,

,

где . Для того, чтобы разработать метод анализа любого физического явления, необходимо знать его обобщенные структурные элементы (качественную и количественную стороны).

Сначала выясняют качественную сторону явления. Во-первых, выделяют физическую систему, т.е. определяют какие физические объекты входят в данную систему. Все остальные физические объекты считаются внешними. Во-вторых, дают характеристику объектам системы: какими идеальными объектами они являются (материальная точка, твердое тело, идеальный газ, точечный электрический заряд и т.д.). В-третьих, выясняют в чем заключается сущность данного явления (что происходит в данной системе). При изучении качественной стороны явления необходимо уяснить определение и смысл всех физических величин, характеризующих объекты системы, и процессы, происходящие в ней. Далее анализируют количественную сторону явления. При теоретическом рассмотрении явления необходимо вывести основной закон, описывающий это явления. При выводе закона различают следующие этапы:

1. Описание физической модели явления:

а) описание качественной стороны явления;

б) формулировка начальных условий и предположений.

2. Применение соответствующих физических законов и составление замкнутой системы уравнений (для неизвестных величин, функций и т.д.).

3. Математические преобразования (решение системы уравнений, интегрирование и т.д.). В результате этого получается аналитическое выражение искомого закона.

4. Анализ полученного закона. Здесь полезно выяснить физический смысл закона, а также метод его применения в практических задачах.

Третья сторона изучения физического явления  выяснение возможностей его практического применения. При практическом рассмотрении явления, физические законы, описывающие это явления, считаются известными. Полезно здесь выяснить, действие каких механизмов, приборов, комплексов основано на данном физическом явлении. В основе любого экспериментального метода определения или измерения физических величин, непременно лежит какое-то физическое явление. Увидеть это явление, проанализировать его  это значит усвоить данный экспериментальный метод. Это важно помнить при выполнении лабораторных работ по физике.

1.6. Структура физической теории. Одним из основных физических понятий является понятие физической теории. Как понятие физического явления, имеет свою структуру, так и сложное понятие физической теории как целое состоит из взаимосвязанных элементов, составляющих его структуру.

В структуре физической теории различают три части.

Первая часть – основание теории – состоит из двух структурных единиц: эмпирического базиса и теоретического базиса. Эмпирический базис включает в себя исходные опытные данные и полученные на их основе закономерности. В эмпирический базис входят и так называемые фундаментальные опыты. Фундаментальные опыты непосредственно или косвенно подтверждают справедливость основных принципов, гипотез, постулатов. В теоретический базис физической теории входят основные принципы, гипотезы, постулаты, на основании которых строится собственно физическая теория. Заметим, что если эмпирический базис теории создается постепенно, индуктивно, а собственно физическая теория строится, в основном, дедуктивно, то теоретический базис физической теории не может быть выведен непосредственно из эмпирического базиса. Формулировка теоретического базиса физической теории – это всегда, скачок, взрыв.

Вторая часть – собственно физическая теория – это система физических понятий и законов, описывающих и объясняющих определенную совокупность физических явлений. Физические законы, входящие в физическую теорию, называются основными или фундаментальными.

Третья часть физической теории – совокупность следствий – система второстепенных явлений и законов, выводимх теоретически на основе теоретического базиса и фундаментальных законов. Полученные частные сведения сравниваются с эмпирическими данными. При этом теория подтверждается или отвергается.

Рассмотрим, в качестве примера, кратко структуру классической теории электропроводимости металлов Друде – Лоренца.

Основные положения теоретического базиса:

А) физическая система – металл - состоит из кристаллической решетки, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы. Ионы совершают колебания относительно положений равновесия;

Б) между ионами хаотически движутся свободные электроны;

В) электронный газ принимается за идеальный газ, подчиняющийся классической статистике Максвелла – Больцмана;

Г) к каждому электрону можно применить классические законы, в частности, второй закон Ньютона.

Эмпирический базис теории. Немецкий физик К. Рикке в 1901 г. осуществил следующий опыт. Через три последовательно соединенных проводника – медный, алюминиевый, медный – около года пропускал электрический ток. Взвешивание этих проводников до и после опыта показало, что их масса осталась неизменной. Опыт доказал, что при прохождении тока через металлы не происходит переноса вещества и, следовательно, в электропроводимости металлов участвуют не ионы, а электроны. Опыт Рикке подтвердил справедливость положения теоретического базиса. Это положение было подтверждено также опытами Мандельштама и Папалекси (1913 г.), Толмена и Стюарта (1916 г.).

Сама теория - классическая теория электропроводности металлов – представляет собой систему физических понятий и законов, описывающих и объясняющих процессы протекания электрического тока в веществе. Используя основные положения теоретического базиса, можно вывести фундаментальный закон этой теории – закон Ома в дифференциальной форме:

J=E (1.6.1),

г
де J – вектор плотности тока, E – напряженность электрического поля,  - удельная электропроводность:

где n – число свободных электронов в единице объема, е – заряд электрона, m – масса электрона, v – средняя скорость теплового движения электронов,  средняя длина свободного пробега электронов.

Следствия теории. Из основных положений теоретического базиса и фундаментального закона Ома в дифференциальной форме можно вывести множество других законов: закон Ома для однородного участка:





где U – напряжение, приложенное к участку, R – сопротивление участка; закон Джоуля – Ленца в дифференциальной:

и
в интегральной форме:



Где  плотность тепловой мощности, V – объем проводника,

Q – количество тепла, выделившегося за время – t:


законы Кирхгофа:






и другие законы.

При сравнении теории и следствий теории с экспериментом обнаруживается ряд недостатков этой теории. Дальнейшие исследования показали, что некоторые положения теоретического базиса («в», «г») оказались неверными. Позднее была создана квантовая теория, в теоретическом базисе которой вместо положений «в», «г» старой теории были сформулированы новые положения. В новой теории был выведен фундаментальный закон Ома в дифференциальной форме (1.6.1), но выражение для удельной электропроводности  оказалось другим.

Недостатки классической теории были преодолены в квантовой теории электропроводимости металлов.

1.7. Понятие состояния физической системы. Общей целью физики является создание методов решения задач типа: дана некоторая физическая система в определенных внешних условиях; требуется найти и вычислить, что произойдет с этой системой через какой-то определенный промежуток времени. Решение этой задачи распадается на:

1. 
   установление величин, описывающих состояние физической системы;
   
2. 
   составление уравнений движения, описывающих изменение состояния во времени;
   
3. 
   нахождение физических величин, опытное измерение которых дает возможность судить о том, что происходит реально с исследуемой системой.
   

Понятие состояния системы относится к числу фундаментальных понятий. Начнем с установления понятия состояния простейшего объекта механики – частицы. Из опыта следует, что состояние классической частицы полностью определяется ее радиус-вектором и скоростью в заданный момент времени.

Это определение состояния частицы является фундаментальным законом классической физики. Он действителен во всех случаях, если:





где m – масса частицы, V– средняя скорость ее движения, – постоянная Планка.

Понятно, что при нерелятивистских скоростях (V≤C) состояние любой системы частиц полностью определяется совокупностью состояний всех частиц системы и имеет поэтому чисто механическую природу. Другими словами, состояние системы нерелятивистских классических частиц описывается состояниями всех частиц в заданный момент времени.

Из определения механического состояния следует, что все величины, характеризующие свойства любой системы классических нерелятивистских частиц, являются функциями положений и скоростей частиц.

В релятивистской области (vc) определенное выше понятие состояния применимо без дополнительных ограничений только для свободных классических частиц. При наличии взаимодействия возникают ограничения, из-за которых область применимости классической релятивисткой механики исчерпывается движениями заряженных частиц в не очень сильных полях. В самом деле, в настоящее время известен единственный способ разогнать частицы до релятивистских скоростей – это воздействовать на них электромагнитными полями. Нарушение механического характера движения заряженной релятивистской частицы проявляется в том, что частица начинает излучать электромагнитные волны. Они, в свою очередь, влияют на движение частицы и это влияние называется реакцией излучения. Интенсивность излучения зависит от ускорения частицы, которое определяется силой (напряженностью) внешнего поля. Следовательно, только при достаточно слабом внешнем поле можно пренебречь излучением и его реакцией.

В системе из двух и более заряженных релятивистских частиц механическое понятие состояния теряет смысл из-за эффекта запаздывания взаимодействия. Он связан с тем, что частицы взаимодействуют друг с другом через электромагнитные поля. Каждая частица создает вокруг себя поле, а это поле уже действует на другую частицу. Со времен Фарадея известно, что процесс создания поля частицей протекает путем близкодействия. При перемещении в новое место частица сначала создает поле в ближайшей к заряду области пространства. Изменение поля в этой области порождает изменение поля в соседней области и т.д. Это изменение поля распространяется в пустом пространстве со скоростью света C (согласно постулату Эйнштейна быстрее распространяться оно не может ). Поэтому в момент t на вторую частицу будет действовать поле, созданное частицей в более ранний момент времени. Состояние в этом случае будет представлять совокупность механических величин и величин, определяющих состояние электромагнитного поля (векторы Е и В).

В системах, состоящих из чрезвычайно большого числа частиц координаты и скорости частиц не играют роли. В этом случае пользуются понятием состояния системы в целом. Параметры состояния таких систем частиц носят статистический характер, и, конечно, связаны со средними параметрами микрочастиц, со статистическими закономерностями.

II. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ НА ЗАНЯТИЯХ ПО ФИЗИКЕ.