ВВЕДЕНИЕ

Нас окружает удивительный и бесконечно разнообразный мир различных вещей и явлений. Он существовал до нас и будет существовать после нас независимо от нашего сознания.

Бесконечное пространство Вселенной включает в себя множество гигантских и малых звезд, загадочных туманностей, наше Солнце и планеты, свет и темноту, тепло и холод, нашу Землю и огромное многообразие живых и неживых тел на ней. Мы узнаём о существовании этого мира с помощью наших органов чувств, по своим движениям и действиям в нем.

Мир, который существует независимо от нас и который мы можем познавать через наши ощущения и действия, называют материей.

Мир не остается неизменным. В нем непрерывно происходят самые различные изменения. Звезды не только меняют свое положение на небе. Они рождаются и исчезают, меняют свои свойства. Происходят смены дня и ночи, изменения погоды. Тепло сменяет холод. Различные вещества при разных условиях могут становиться твердыми, жидкими или газообразными. Происходят химические превращения одних веществ в другие. И так далее.

Все эти изменения или явления мы называем движениями материи.

Многое о природе мы узнаем из самых ранних, повседневных житейских наблюдений. Но нам мало просто знать о существовании различных свойств тел или явлений. Важно знать, почему возникают эти явления, почему различные тела обладают разными свойствами, как эти тела устроены. Это особенно важно потому, что без такого знания мы не смогли бы использовать эти явления и свойства тел для пользы человечества, не смогли бы создать то множество вещей, которые нужны нам для жизни, для развития человеческого общества.

Поиском ответов на все эти вопросы занимается много наук — физика, химия, биология, астрономия, геология и другие. Все они вместе получили название естественных наук или наук о природе.

Среди естественных наук одно из важнейших мест занимает физика. Она является тем основанием, на котором создают свои

теоретические построения и совершенствуют свои экспериментальные методы все другие естественные науки.

Что такое физика? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть те основные задачи, которые решает физика, и те основные направления, в которых она развивается в настоящее время.

Первое направление современной физики — изучение наиболее общих форм движения материи, лежащих в основе всех природных явлений; установление законов этих движений и их всеобщей взаимосвязи между собой. Эти законы таковы, что им подчиняются все без исключения тела, где бы они ни находились, когда бы ни наблюдались и каким бы изменениям ни подвергались. Формы движения материи, изучаемые физикой, мы называем физическими процессами или физическими явлениями.

Простейшее, что мы видим повседневно, это непрерывно происходящие изменения положений тел друг относительно друга с течением времени. Это физическое явление служит предметом изучения раздела физики, называемого механикой. Законам механических явлений подчиняются не только тела, окружающие нас на Земле. Им пбдчиняются в своих движениях и звезды, и галактики, и самые маленькие, невидимые частицы вещества — атомы и их составные части. Механические процессы принадлежат к числу наиболее общих форм движения материи, и они присутствуют как обязательнее участники во всех других явлениях природы.

Мы непрерывно наблюдаем смены тепла и холода. При этом происходят изменения свойств самих тел. Они меняют геометрическую форму и размеры. Изменяется состояние этих тел. Лед превращается в воду, вода — в пар. Раскаленный металл превращается в жидкость и начинает светиться. Ртуть, замерзая, становится твердым телом. Начинают возникать или проходить по-другому химические реакции. Все это вместе образует новую группу физических процессов, которые называются тепловыми явлениями. Законам тепловых явлений подчиняются все тела; они носят всеобщий характер. Сами тепловые процессы так же присутствуют как непременные участники всех других явлений природы.

В жизни, в повседневном быту мы непрерывно сталкиваемся с особыми взаимодействиями тел, которые получили название электромагнитных явлений. Разрушительные молнии при грозе, полярные сияния, свет, электризация бумаги и синтетических тканей, притяжение и отталкивание магнитов — все это проявления электрических и магнитных сил. Телефон, радио, телевидение, разнообразные бытовые приборы — это примеры использования человеком электромагнитных явлений. И все это составляет предмет особого раздела современной физики — электродинамики.

Электромагнитные процессы опять-таки принадлежат к одному из самых общих видов движения штерии, лежащему в основе всех других явлений природы. В свое врейя при изучении электродинамики мы узнаем, что электромагнитными силами обеспечивается

бесконечное разнообразие окружающих нас тел и что именно к этим силам сводятся почти все взаимодействия тел между собой.

Второе направление современной физики — изучение свойств материальных тел, определение особенностей их внутреннего строения, отыскание взаимосвязей между свойствами тел и их строением.

В каждом физическом процессе, при каждом взаимодействии тел, при каждом изменении условий, в которых находятся эти тела, мы обнаруживаем бесконечное разнообразие различных свойств материальных тел.

В механических явлениях обнаруживается разнообразие в способности тел действовать друг на друга самыми различными силами. Оказывается, что одни тела могут быть прочными, твердыми, другие — хрупкими, не способными выдерживать даже слабые воздействия других тел. Все тела обнаруживают способность притягивать друг друга силами всемирного тяготения.

При нагревании тела по-разному расширяются. Одни тела, оказывается, могут оставаться твердыми при очень сильном нагревании, а другие не могут перейти в твердое состояние даже при самых сильных охлаждениях. Одни тела легко воспламеняются, другие — не могут загореться и т. д.

Так же по-разному тёла ведут себя в электромагнитных и световых явлениях. Они по-разному пропускают электрический ток и свет.

Задача физики и состоит в том, чтобы прежде всего научиться находить количественные меры для описания и сравнения свойств тел, находить объяснение причинам появления этих свойств и их разнообразию. Такое объяснение свойств тел становится возможным только тогда, когда удается построить правильную модель внутреннего строения тел. Решением этой задачи занимаются такие разделы современной физики, как молекулярная физика, электронная теория, атомная и ядерная физика.

Третье направление современной физики — отыскание возможностей, форм и методов использования законов физических явлений и свойств материальных тел для нужд человека.

Решением этой задачи сейчас занимается подавляющее большинство ученых-физиков. Это направление получило название прикладной или технической физики. Только благодаря быстрому и успешному развитию этого направления каждый закон и каждый раздел физики стали отправными точками для развития всех инженерных наук, для развития и совершенствования всех отраслей производства.

Отыскание путей практического применения законов механики привело к развитию технической механики, материаловедения, теории механизмов и машин.

Учение о тепловых явлениях стало основой всей современной теплотехники, теории двигателей, стало неотъемлемой частью расчетов всех химических и других производств.

Отыскание путей практического применения законов электромагнитных явлений не только породило современную электро- и радиотехнику, но и обеспечило вместе с атомной и ядерной физикой создание всей современной энергетики.

Успехи молекулярной физики и электронной теории дали возможность создавать новые вещества с невиданными, чудесными свойствами, стали основой современной электроники, открыли дорогу к созданию лазеров — источников света, обладающих свойствами фантастического гиперболоида инженера Гарина.

Подводя итоги, мы можем теперь сказать, что физикой называется наука, которая

— изучает наиболее общие формы движения материи, лежащие в основе всех явлений природы; находит законы, управляющие этими движениями и их взаимосвязями;

— изучает свойства материальных тел и их внутреннее строение; находит законы, связывающие свойства тел с их строением;

— отыскивает пути практического использования законов физических явлений и свойств тел для нужд человека.

Эти три важнейших направления находят свое отображение во всех разделах физики. Поэтому при изучении каждого раздела физики необходимо увидеть эти направления, понять их и научиться пользоваться ими в своей практическойдеятельности. Это поможет более глубокому пониманию всей физики в целом, поможет уложить все знания физики в стройную логическую систему.

Следует также все время помнить, что физику нельзя рассматривать как собрание отдельных независимых частей. Это единая наука, в которой создаются представления о едйнстве всего окружающего нас мира. Все части физики взаимосвязаны между собой, так же как связаны друг с другом все явления природы.

Каждая частица материи полностью раскрывает свои свойства только во всех явлениях. Так, для полного понимания свойств атома нужно знать его поведение и в механических, и в тепловых, и в электромагнитных явлениях. Не случайно при каждом открытии новых физических явлений раскрываются новые, более сложные свойства самого атома.

Об этом необходимо помнить при изучении физики; необходимо учиться видеть взаимосвязи между явлениями, видеть то, как при расширении круга этих явлений все более полно раскрываются тайны строения самой материи.

Опыт — основа физики. Возникает совершенно естественный вопрос. Откуда и как физика получает знания о различных явлениях? Как формируются законы физики? Прежде всего ясно, что поскольку предметом физики является реальный мир и события, в нем происходящие, то нельзя придумать никаких знаний об этом мире просто так из головы, не выходя из закрытой со всех сторон комнаты! Очевидно, что первым шагом в получении знаний о каком-либо явлении должно быть непосредственное наблюдение за этим явлением. Ключом к любому научному познанию природы, его

единственным источником являются наблюдения, эксперименты и выводы из них.

Научное наблюдение состоит не только в регистрации фактов. Проведение его далеко не простая задача. Научное наблюдение включает в себя систематизацию обнаруженных фактов, установление связей между ними, размышления. Далее требуется оценка и отбор тех свойств, качеств и связей изучаемого явления, которые будут для него главными, основными, ключевыми.

Как один из классических примеров по-настоящему научных наблюдений могут быть названы работы Кеплера по изучению законов движения планет. Кеплер не только провел огромное количество наблюдений за видимыми положениями планет Солнечной системы. Он провел детальный анализ результатов своих наблюдений. На основе этого анализа и на основе учета явлений, связанных с движением Земли, он дал правильное описание движения планет и нашел законы движения планет, носящие теперь его имя.

Другой пример — изучение поведения свободных тел над поверхностью Земли. Проведенные для этого наблюдения сразу укажут нам два результата: 1) все свободные тела рано или поздно обязательно падают на Землю; 2) у разных тел движения во время падения будут разными — тяжелый шар будет падать быстро со все нарастающей скоростью; легкая пушинка будет спускаться на Землю плавно и неторопливо.

Какие же общие выводы можно сделать из указанных результатов? Первый результат говорит о том, что Земля каким-то образом действует на все тела, находящиеся над ней, она притягивает их. Этот вывод правильный, он носит всеобщий характер. Но если мы из второго результата сделаем вывод о том, что притяжение Земли вызывает разные движения у разных тел, то мы совершим грубую ошибку. Наши поверхностные наблюдения не дают нам оснований для такого решительного вывода. Ведь мы не посмотрели: как могут влиять различные качества и свойства падающих тел на их движения; как может влиять воздух, в котором движутся тела.

Мы должны найти способы оценки соотношения между влиянием Земли и этих факторов. А для этого нужно ставить специальные опыты (эксперименты), в которых можно было бы менять условия движения тел и контролировать все названные влияния. Важно поставить эти опыты так, чтобы они давали не только общее качественное представление о происходящих событиях или влияниях (слабее — сильнее или больше — меньше). Нужно, чтобы они позволяли количественно оценить и особенности самих движений и действия тел друг на друга.

В свою очередь это требует создания специальных понятий и определений физических величин, которые давали бы характеристику всем свойствам движений и тел. Для тех величин, которые будут определяться в ходе опыта, нужно найти способы их количественного измерения.

Только после всего этого можно ставить нужные нам опыты и отыскивать количественные соотношения между всеми величинами, характеризующими изучаемое явление. Из таких количественных опытов уже может быть найден закон, управляющий данным явлением. В нашем случае — закон свободного падения тел.

Количественные законы позволяют нам глубже понять сами физические явления, увидеть связи между поведением тел и их взаимодействиями с другими телами. Они. позволяют по заранее заданным внешним условиям предугадать, предсказать, как будет происходить развитие изучаемого явления в будущем при этих условиях. Эти законы позволяют нам управлять ходом физических процессов, направлять их развитие в нужную нам сторону.

Таким образом, рассмотренные примеры позволяют нам увидеть основные этапы формирования знаний о физических явлениях:

— непосредственное начальное наблюдение или качественный опыт позволяют увидеть физическое явление в целом, выделить наиболее важные его качества и свойства, обнаружить наиболее существенные связи его с другими физическими процессами;

— следующее за этим создание специальных понятий, определение физических величин, характеризующих нужные свойства явлений и тел, указание способов их измерения открывают возможность проведения количественных опытов, которые могут глубже раскрыть особенности изучаемого явления;

— количественные опыты устанавливают соотношения между физическими величинами и этим самым вскрывают связи особенностей физического явления с условиями, в которых оно протекает;

— результаты количественных опытов позволяют дать полную формулировку законам, управляющим данным явлением;

— найденные законы позволяют подойти к созданню общей теории свойств и строения материи, к определению путей использования этой теории для практических расчетов и применений;

— в свою очередь созданная таким образом теория может позволить предугадывать новые явления, не известные нам ранее, новые особенности явлений, определять те условия, при которых их можно наблюдать.

Внимательный читатель легко обнаружит, что именно по такой общей схеме строится изложение материала во всех разделах этого курса. Изучение каждой большой группы родственных физических явлений всегда начинается с определения основных экспериментальных фактов, на которых затем строится система необходимых понятий и формулируются основные законы. Именно такая схема, отвечающая строению самих физических знаний, делает физику наукой, строго логически связанной во всех ее частях.

Чтобы закончить вопрос о происхождении и составе физических знаний, необходимо еще установить, каким способом можно проверить правильность той или иной теории.

Мы уже отметили, что любая вновь созданная теория может предугадывать новые явления. Она также может быть применена

для создания новых машин, процессов, используемых человеком на практике. И у нас нет другого способа проверить правильность теории, кроме того, чтобы проверить правильность ее предсказаний на опыте, проверить на практике способность работать у машин, созданных на основе этой теории.

Таким образом, создание и проверка физических теорий начинаются с опыта и кончаются опытом.

Наблюдение и опыт выступают как начальные и единственные источники знаний и образуют предметный фундамент физики как науки.

Опыт и человеческая практика — единственные судьи научной истины. Они являются пробным камнем для всех наших знаний по физике.

На эту роль опыта как критерия истины обращал особое внимание В. И. Ленин. И именно эта роль практики и опыта делает особо важным третье основное направление развития физики. Отыскание форм и путей практического применения законов физики нужно не только для удовлетворения запросов общественного, производства. Это жизненно необходимо и для самой физики. В практических применениях, в общественном производстве физика проверяет истинность своих теорий, ценность и правильность своих знаний.

Физика и производство. Взаимосвязь физики и производства не исчерпывается тем, о чем только что было сказано. Эта взаимосвязь значительно глубже и сильнее. В свое время Энгельс писал о том, что, если техника в значительной степени зависит от состояния физики, то в гораздо большей мере физика зависит от состояния и потребностей техники.

Наиболее быстрые и сильные продвижения в развитии физики происходили в те периоды, когда у общества возникала техническая потребность в таких продвижениях. Например, в XVI и XVII вв. в Италии возникла крайняя потребность найти способы регулирования горных потоков. Именно эта потребность вызвала к жизни науку о равновесии жидкостей — гидростатику.

Учение об электричестве начало быстро развиваться только с тех пор, как была открыта возможность широкого использования его в технике. Точно так же именно техническими потребностями общества были вызваны к жизни теория колебаний маятников, вся термодинамика и многие другие отрасли физики. Об этой непосредственной связи физики с производством, о том, как потребности промышленности, транспорта, связи вызывали успехи в развитии физики, рассказано в исторических справках, данных в нашем курсе.

Сейчас лишь отметим, что под влиянием требований общественного производства происходили не только продвижения в отдельных отраслях физики. В результате изменений, происходивших в производстве, возникали существенные изменения и настоящие перевороты во всей физике в целом. К числу" таких переворотов принадлежит установление закона рохрайййкя энергии в середике

XIX в., вызванное к жизни появлением паровых машин на производстве.

В наше время бурной научно-технической революции эти взаимосвязи физики и производства стали еще более тесными и прочными. Сейчас нет ни одного закона физики, который бы «не работал» на производстве. Так же нет ни одной машины, в работе которой одновременно не применялось бы большое количество физических законов. Физика и техника объединились в неразрывном союзе. Каждая из них в своем развитии подталкивает, ускоряет развитие другой. Сама физика вошла в общественное производство как одна из важнейших производительных сил. Каждый, кто хочет изучать физику и работать в ней, должен помнить об этом и не забывать о поиске новых путей и форм практических применений законов физики.

В заключение отметим, что физика органически вошла во все другие естественные науки. Она помогает химикам и биологам раскрыть внутренние механизмы химических и биологических процессов, геологам — разобраться в особенностях внутреннего строения земного шара, помогает всем им создать необходимые инструменты и приборы для своих исследований. Она также неразрывно связана с астрономией и математикой и со всеми техническими науками.

Изучение этой величественной и обширной науки мы начнем с механики — того раздела физики, который рассматривает простейшую форму движения материи — механическое движение.