Вопрос 7.

Физика как наука. Основные законы, теории и концепции современной физики (механика, электромагнетизм, термодинамика и молекулярная физика, квантовая механика)

Физика - область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Основные законы современной физики:

1. Механика —раздел физики, изучающий законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, это вызывающие.

Классическая механика подразделяется на:

а) Статику (которая рассматривает равновесие тел)

б) Кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

в) Динамику (которая рассматривает движение тел).

Основные законы:

Принцип относительности Галилея

Согласно этому принципу существует бесконечно много систем отсчёта, в которых свободное тело покоится или движется с постоянной по модулю и направлению скоростью. Эти системы отсчёта называются инерциальными и движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Во всех инерциальных системах отсчёта свойства пространства и времени одинаковы, и все процессы в механических системах подчиняются одинаковым законам.

Законы Ньютона

Основой механики являются три закона Ньютона:

а) Первый закон устанавливает наличие свойства инертности у материальных тел и постулирует наличие таких систем отсчёта, в которых движение свободного тела происходит с постоянной скоростью (такие системы отсчёта называются инерциальными).

б) Второй закон Ньютона вводит понятие силы как меры взаимодействия тела и на основе эмпирических фактов постулирует связь между величиной силы, ускорением тела и его инертностью (характеризуемой массой).

в) Третий закон Ньютона уточняет некоторые свойства введённого во втором законе понятия силы. Им постулируется наличие для каждой силы, действующей на первое тело со стороны второго, равной по величине и противоположной по направлению силы, действующей на второе тело со стороны первого. Наличие третьего закона Ньютона обеспечивает выполнение закона сохранения импульса для системы тел.

Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса является следствием законов Ньютона для замкнутых систем, то есть систем, на которые не действуют внешние силы или результируюшие действия внешних сил скомпенсировано. С более фундаментальной точки зрения существует взаимосвязь закона сохранения импульса и однородности пространства[2], выражаемая теоремой Нётер.

2. Электромагнетизм - группа явлений, вызываемых взаимодействием электрического тока и магнетизма.

Основные законы:

Уравнения Максвелла — система дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.

Закон Кулона — это закон о взаимодействии точечных электрических зарядов.

электромагнитное взаимодействие заряженных частиц осуществляется путём обмена виртуальными фотонами между частицами.

3. Термодинамика — раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии.

Термодинамика основывается на трёх законах — началах, которые сформулированы на основе экспериментальных данных и поэтому могут быть приняты как постулаты.

1-й закон — первое начало термодинамики. Представляет собой формулировку обобщённого закона сохранения энергии для термодинамических процессов.

2-й закон — второе начало термодинамики. Второй закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется несколько различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона:

1 — Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких-либо других изменений в системе.

2 — Постулат Кельвина. Процесс, при котором работа переходит в теплоту без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, то есть невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

* 3-й закон — третье начало термодинамики. Теорема Нернста: Энтропия любой системы при абсолютном нуле температуры всегда может быть принята равной нулю.

Уравнение состояния идеального газа — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:

P* Vм= R* T

4. Молекулярная физика — раздел физики, который изучает физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения.

Основные законы:

Отношение числа молекул к количеству вещества называется постоянной Авогадро:

Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов или молекул содержится в одном моле вещества.

Броуновское движение - тепловое движение взвешенных в газе или жидкости частиц. Английский ботаник Роберт Броун обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, находящихся в жидкости. Это движение не прекращается; с увеличением температуры его интенсивность растет. Причина броуновского движения частицы заключается в том, что удары молекул жидкости о частицу не компенсируют друг друга.

Изотермический процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре.

Изохорный процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном объеме.

Изобарный процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном давлении.

Закон Бойля-Мариотта: при изотермическом процессе произведение давления данной массы газа на его объём не изменяется

Закон Гей-Люссака: при изобарном процессе отношение объёма данной массы газа к его температуре постоянно

Закон Джоуля - Ленца: количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводника и интервала времени прохождения тока по проводнику

Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остаётся неизменной

закон Шарля: для идеального газа данной массы отношение давления к абсолютной температуре постоянно, если его объём не меняется

5. Квантовая механика — раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения.