Физика как система научных физических теорий

ФКМ включает в себя следующие структурные компоненты:

· исходные философские идеи и понятия (материя, движение, пространство и время, взаимодействие);

· физические теории (по классификации В. Гейзенберга, учитывающей динамику развития физической науки – классическая механика, молекулярная физика, электродинамика, квантовая физика);

· принципы, выражающие связи между теориями (соответствия, дополнительности, симметрии, причинности).

Структура фундаментальной физической теории:

· Основание (эмпирический базис – эксперименты, опыты, факты; идеализированные объекты – модели; система характерных физических величин; процедуры измерения).

· Ядро (система законов, законы сохранения, принципы и постулаты, фундаментальные постоянные).

· Выводы-следствия (объяснение фактов, практические применения, выведение следствий, предсказание нового).

· Интерпретация (истолкование основных понятий и законов, осмысление границ применимости).

Далее рассмотрим структуру и содержание ФФТ.

ФФТ – Классическая механика
Структурные элементы	Их содержание
Основание	Понятие о механическом движении. Понятие о макроскопическом теле. Материальная точка – основная модель тела. Модели абсолютно твердого тела и сплошной среды. Механическая система. Траектория. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Виды механического движения (модели): прямолинейное, криволинейное, равномерное, неравномерное, равноускоренное, неравноускоренное. Взаимодействие. Основные физические величины: координата, время, скорость, ускорение, путь, перемещение, масса, момент инерции, энергия, импульс, момент импульса, сила, момент силы, работа, мощность
Ядро	Принципы (идеи) дальнодействия, относительности, суперпозиции сил. Законы Ньютона. Принцип Даламбера. Законы взаимодействия (сил): всемирного тяготения, упругой деформации, трения. Законы сохранения импульса, момента импульса, энергии
Выводы- следствия	Решение различных задач кинематики, динамики, статики, колебаний. Объяснение явлений природы и техники: например, равновесие тел, действие простых механизмов, закономерностей движения маятника, невесомости, происхождения тормозного пути автомобиля, подъемной силы крыла самолета, расчет траекторий космических аппаратов и др.
Интерпретация	Законы справедливы при скоростях движения макроскопических и микроскопических объектов, много меньших скорости света (ограничение «сверху»). Ограничение «снизу» – принцип неопределенности Гейзенберга

ФФТ – Молекулярная физика (Молекулярно-кинетическая теория –– статистический метод изучения тепловых явлений)
Структурные элементы	Их содержание
Основа-ние	Модель материальных объектов – статистическая система из огромного количества микрочастиц, движущихся по законам классической или квантовой механики. Микросостояния описываются набором механических величин – координатами, импульсами, энергиями микрочастиц, а макросостояния – термодинамическими параметрами – давлением, температурой, объемом, количеством вещества и т. д. Идея о вероятностных, случайных значениях механических параметров состояния микрочастиц, возникающих в результате взаимодействия частиц между собой. Опытные факты: теплообмен между системами, диффузия, броуновское движение, флуктуации и др. Экспериментальные закономерности – закон Дальтона, газовые законы
Ядро	Основные положения о строении вещества: · Все тела состоят из частиц, между которыми есть промежутки. · Эти частицы находятся в непрерывном беспорядочном движении. · Эти частицы взаимодействуют друг с другом. Статистическая закономерность в распределении по параметрам микрочастиц, возникающая благодаря огромному числу микрочастиц и отраженная в виде количественной зависимости – макроканонического или распределения Гиббса. Распределения Максвелла, Больцмана. Классические и квантовые статистики (Ферми-Дирака для частиц с полуцелым спином, Бозе-Эйнштейна для частиц с целым спином) Законы механики. Законы сохранения энергии всей системы, энергии и импульса частиц при их взаимодействии. Физические константы – постоянная Больцмана, Авогадро, универсальная газовая постоянная
Выводы- следствия	Расчет макроскопических величин и их зависимостей – получение информации о макросостоянии и его изменении на основе микросостояний системы. Вывод основного уравнения МКТ: Р = nkT
Интерпретация	Законы применимы для огромного числа частиц и не применимы к системам из небольшого числа частиц. Статистические закономерности более фундаментальные, в конечном итоге именно они обусловливают динамические закономерности

ФФТ – Молекулярная физика (Термодинамика –– феноменологический метод изучения тепловых явлений)
Структурные элементы	Их содержание
Основание	Понятия: температура, тепловое равновесие, количество теплоты, внутренняя энергия, теплоемкость, энтропия, КПД, замкнутая термодинамическая система. Явления теплопередачи, работы газа при расширении, изопроцессы. Идеализированный объект – макроскопическая (термодинамическая) система, находящаяся в равновесном состоянии.
Ядро	Три принципа (начала): I. Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах. II. Утверждение о невозможности создания вечного двигателя второго рода, эквивалентное принципу направленности процессов в природе или неубывания энтропии замкнутой системы. III. Утверждение о невозможности вечного двигателя третьего рода – тепловой машины, у которой температура холодильника равна абсолютному нулю температуры (или «Никакой конечной последовательностью физических процессов нельзя достичь абсолютного нуля температуры»). Постулаты: 1. (нулевое начало термодинамики) – всякая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние и никогда сама собой из него не выходит. 2. О существовании температуры как особого параметра термодинамических систем. 3. О существовании уравнений состояния термодинамических систем – зависимости внутренних параметров системы от внешних параметров и температуры ()
Выводы- следствия	О ходе тепловых процессов, сопровождающихся нагреванием или охлаждением, сжатием и расширением тел, их агрегатными превращениями, совершением механической работы. Объяснение работы тепловых машин, теплового загрязнения среды
Интерпре-тация	Понятия и законы термодинамики получают статистическое истолкование, второй закон термодинамики справедлив для замкнутых систем

ФФТ – Макроскопическая электродинамика (сюда обычно относят феноменологическую теорию электромагнитного поля, СТО и электронную (неквантовую) теорию)
Структурные элементы	Их содержание
Основа- ние	Экспериментальный базис: эмпирические законы – Кулона (1785 г.) – взаимодействие электрических зарядов, Био-Савара-Лапласа (1820 г.) – . Эрстеда (1820 г.) – действие тока на магнитную стрелку, Ампера (1831 г.) – взаимодействие токов. Принципиально новая (по отношению к механике) модель материи и взаимодействия – материя представлена здесь наряду с веществом непрерывным электромагнитным полем. Понятия: электрический заряд, электрическое поле, магнитное поле, электромагнитное поле, электромагнитная волна, магнитный полюс. Физические величины: q, , электрическая индукция (), магнитная напряженность (), сила тока I, напряжение U, сопротивление R, энергия электромагнитного поля W, скорость света c и др.
Ядро	Принцип близкодействия. Законы сохранения: энергии, импульса, заряда. Система уравнений Максвелла-Лоренца (четыре качественных положения о связи поля и зарядов): 1. Покоящиеся и движущиеся электрические заряды образуют вокруг себя электрическое поле, силовые линии которого (напряженности) начинаются и оканчиваются на зарядах. = ρ (ρ – плотность заряда) (дифференциальная форма) 2. В природе нет магнитных зарядов, магнитные силовые линии замкнуты – магнитное поле – вихревое. Div = 0 3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитное поле, силовые линии которого (линии магнитной индукции) охватывают линии тока. rot плотность тока 4. Переменное магнитное поле порождает электрическое поле, силовые линии которого замкнуты и охватывают линии магнитной индукции. Переменное электрическое поле порождает магнитное поле, силовые линии индукции которого замкнуты и охватывают линии напряженности электрического поля. rot = – Фундаментальные константы: скорость света с. Заряд и масса электрона. Электрическая постоянная – . Магнитная постоянная – .
Выводы- следствия	Теоретические следствия: излучение и распространение электромагнитных волн, природа света, расчет электрических цепей, … Технические применения: радиосвязь, телевидение, получение, передача и потребление электрической энергии. Оптические приборы. Радиоэлектроника.

ФФТ – Элементы специальной теории относительности (включена в макроскопическую электродинамику)
Структурные элементы	Их содержание
Основание	Экспериментальные факты: Опыты Майкельсона-Морли; опыт Бонч-Бруевича; опыты по измерению скорости света; наблюдения за искривлением «гравитационной линзой» – Солнцем – светового луча, идущего от далекой звезды (опыт проводился во время солнечного затмения в 1919 г. А. Эддингтоном). Идеализированные объекты: Инерциальные системы отсчета (ИСО); материальная точка; система материальных точек; макроскопическое тело; гравитационное и электромагнитное поля. Фундаментальные понятия: взаимодействие, движение, четырехмерное пространство-время как единый континуум. Физические величины: пространственные и временная координаты, время, скорость, масса, полная энергия, энергия покоя, кинетическая энергия, релятивистский импульс, сила, работа, пространственно-временной интервал
Ядро	Постулаты: 1. Принцип относительности А. Эйнштейна: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. 2. Скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям в ИСО и не зависит от скорости движения источника или наблюдателя. Законы: Преобразования Лоренца. Закон сохранения релятивистского импульса для замкнутой системы; Основной закон релятивистской механики: , или . Закон взаимосвязи массы и энергии: E0 = mc^2 Закон сохранения массы и энергии: энергия покоя + кинетическая энергия + потенциальная энергия взаимодействия частиц = const (для замкнутой системы). Принцип (идея) близкодействия. Принцип суперпозиции сил. Фундаментальные постоянные: скорость света в вакууме; заряд и масса покоя электрона; электрическая и магнитная постоянные
Выводы- следствия	Теоретические следствия: относительность одновременности, «эффект замедления времени» ; относительность расстояний – релятивистский «эффект уменьшения длины в направлении движения» l = l 0 ; релятивистская формула сложения скоростей υ рез = . Расчет полной, кинетической и энергии покоя объекта: Е 0 = mc^2. Формула связи энергии и импульса: E^2 = (mc^2)^2 + (pc)^2, Для безмассовых частиц – E = pc. Технические применения: изучение движения быстрых частиц в ускорителях, атомных процессов, ядерных реакций, движений элементарных частиц в атмосфере Земли, доступ практически к неисчерпаемым источникам энергии... Предсказание нового: объяснение свойств одного из самых необычных астрономических объектов – «черной дыры», расчет радиуса Шварцшильда; искривление траектории светового луча при прохождении его вблизи «гравитационных линз»; способ определения массы фотонов
Интерпретация	Релятивистская механика изучает движения макроскопических тел и элементарных частиц, движущихся со скоростями, сравнимыми со скоростью распространения света в вакууме (υ ≈ с).

ФФТ – Квантовая физика
Структурные элементы	Их содержание
Основание	Экспериментальный базис – опыты, выявляющие дискретный характер энергии атомов (Франка и Герца), данные о линейчатых спектрах, опыты по дифракции электронов (Девиссона-Джермера, Томсона-Тартаковского). Модель материальных объектов – микрочастица (или система микрочастиц), отличающаяся от материальной точки классической механики неопределенностью положения в пространстве, обусловленной квантовым характером взаимодействия: при справедливости соотношения движение по траектории не имеет смысла). Основные понятия: комплексная функция состояния , квадрат модуля которой определяет плотность вероятности положения частицы в пространстве – . Движение в микромире описывается как перераспределение плотности вероятности
Ядро	Дифференциальное уравнение Шредингера, позволяющее по заданному силовому полю (взаимодействию между микрочастицами) определить функцию состояния: В нерелятивистской области индивидуальность частиц при взаимодействии сохраняется, нет взаимных превращений частиц, поэтому выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, четности и числа частиц. Постулаты де Бройля. Дуализм свойств частиц. Фундаментальная постоянная – постоянная Планка
Выводы- следствия	Нахождение функций состояния и его параметров для частицы и системы по заданному взаимодействию. По функции состояния определяется пространственное распределение микрочастиц и значения их энергий, импульсов, моментов импульса. Рассмотрение частных случаев, например, для постоянных сил вывод о стационарных состояниях атома и объяснение стабильности состояния окружающего нас вещества. Уравнение Шредингера для переменных сил приводит к переходам между стационарными состояниями – квантовым скачкам и дает возможность рассчитать вероятность квантовых переходов (объяснение излучения и поглощения света атомами). Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Объяснение эффекта Комптона. Объяснение процесса деления атомных ядер, цепной ядерной реакции, существования изотопов, радиоактивных элементов, процессов ядерного синтеза. Практические применения. Квантовая электроника и оптика: действие света, лазеры, фотоэлементы, полупроводники. Ядерная энергетика: радиоизотопы, ядерное оружие, получение новых радиоактивных элементов и др.
Интерпретация	Квантовой электродинамикой является отрасль квантовой физики, предметной областью которой являются фотоны, электроны, позитроны и т. д., которая принимает идею близкодействия, но считает электромагнитное поле не непрерывным, а состоящим из дискретных квантов. Механизм взаимодействия – обмен частицами – квантами поля. Релятивистская форма уравнения Шредингера (для электронов и позитронов) – уравнение Дирака. При этом стационарными являются лишь состояния свободных частиц, а взаимодействие приводит к изменению этих состояний и взаимопревращению частиц

Заключение

Дата добавления: 2015-07-17