Опишите 2 3 примера применения физических открытий: Приведите примеры применения физических знаний в быту!?

физические свойства, получение, применение, история :: ТОЧМЕХ

Физические свойства алюминия

Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью. Температура плавления 660°C.

По распространенности в земной коре алюминий занимает 3-е место после кислорода и кремния среди всех атомов и 1-е место — среди металлов.

К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов.

Алюминий и его сплавы делятся по способу получения на деформируемые, подвергаемые обработке давлением и литейные, используемые в виде фасонного литья; по применению термической обработки — на термически не упрочняемые и термически упрочняемые, а также по системам легирования.

Получение

Впервые алюминий был получен Гансом Эрстедом в 1825 году. Современный метод получения разработали независимо друг от друга американец Чарльз Холл и француз Поль Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке.

Применение

Алюминий широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — легкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость (на воздухе алюминий мгновенно покрывается прочной пленкой Al2O3, которая препятствует его дальнейшему окислению), высокая теплопроводность, неядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Электропроводность алюминия сравнима с медью, при этом алюминий дешевле. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах. Правда, у алюминия как электротехнического материала есть неприятное свойство — из-за прочной оксидной пленки его тяжело паять.

Благодаря комплексу свойств широко распространен в тепловом оборудовании.

Внедрение алюминиевых сплавов в строительстве уменьшает металлоемкость, повышает долговечность и надежность конструкций при эксплуатации их в экстремальных условиях (низкая температура, землетрясение и т.п.).

Алюминий находит широкое применение в различных видах транспорта. На современном этапе развития авиации алюминиевые сплавы являются основными конструкционными материалами в самолетостроении. Алюминий и сплавы на его основе находят все более широкое применение в судостроении. Из алюминиевых сплавов изготовляют корпусы судов, палубные надстройки, коммуникацию и различного рода судовое оборудование.

Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и легкого материала.

Драгоценный алюминий

В настоящее время алюминий является одним из самых популярных и нашедших широкое применение металлов. С самого момента открытия в середине XIX века его считали одним из ценнейших благодаря удивительным качествам: белый как серебро, легкий по весу и не подверженный воздействию окружающей среды. Стоимость его была выше цен на золото. Не удивительно, что в первую очередь алюминий нашел свое применение в создании ювелирных изделий и дорогих декоративных элементов.

В 1855 г. на Универсальной выставке в Париже алюминий был самой главной достопримечательностью. Изделия из алюминия располагались в витрине, соседствующей с бриллиантами французской короны. Постепенно зародилась определенная мода на алюминий. Его считали благородным малоизученным металлом, используемым исключительно для создания произведений искусства.

Наиболее часто алюминий использовали ювелиры. При помощи особой обработки поверхности ювелиры добивались наиболее светлого цвета металла, из-за чего его часто приравнивали к серебру. Но в сравнении с серебром, алюминий обладал более мягким блеском, чем обуславливалась еще большая любовь к нему ювелиров.

Так как химические и физические свойства алюминия сначала были слабо изучены, ювелиры сами изобретали новые техники его обработки. Алюминий технически легко обрабатывать, этот мягкий металл позволяет создавать отпечатки любых узоров, наносить рисунки и создавать желаемой формы изделия. Алюминий покрывался золотом, полировался и доводился до матовых оттенков.

Но со временем алюминий стал падать цене. Если в 1854-1856 годах стоимость одного килограмма алюминия составляла 3 тысячи старых франков, то в середине 1860-х годов за килограмм этого металла давали уже около ста старых франков. Впоследствии из-за низкой стоимости алюминий вышел из моды.

В настоящее время самые первые алюминиевые изделия представляют большую редкость. Большинство из них не пережило обесценивания металла и было заменено серебром, золотом и другими драгоценными металлами и сплавами. В последнее время вновь наблюдается повышенный интерес к алюминию у специалистов. Этот металл стал темой отдельной выставки , организованной в 2000 году Музеем Карнеги в Питсбурге. Во Франции расположен Институт истории алюминия, который в частности занимается исследованием первых ювелирных изделий из этого металла.

В Советском союзе из алюминия делали общепитовские приборы, чайники и т.д. И не только. Первый советский спутник был выполнен из алюминиевого сплава. Другой потребитель алюминия — электротехническая промышленность: из него делаются провода высоковольтных линий передач, обмотки моторов и трансформаторов, кабели, цоколи ламп, конденсаторы и многие другие изделия. Кроме того, порошок алюминия применяют во взрывчатых веществах и твердом топливе для ракет, используя его свойство быстро воспламеняться: если бы алюминий не покрывался тончайшей оксидной пленкой, то мог бы вспыхивать на воздухе.

Последнее изобретение — пеноалюминий, т.н. «металлический поролон», которому предсказывают большое будущее.

• Полный каталог статей

Броуновское движение — определение, формулы, примеры

Во второй половине ХIХ века в научных кругах разгорелась нешуточная дискуссия о природе атомов. На одной стороне дискуссии утверждали, что атомы — просто математические функции, удачно описывающие физические явления и не имеющие под собой реальной физической основы.С другой стороны настаивали, что атомы — это реально существующие физические объекты.

Самое смешное в этих спорах то, что за десять лет до их начала ботаник Роберт Броун уже провел эксперимент, который доказал физическое существование атомов. Вот, как это было:

В первую очередь он начал грешить на движение потоков воды или ее испарение, но проверив эту гипотезу, отмел ее. Проведя множество экспериментов, Броун установил, что такое хаотичное движение свойственно любым микроскопическим частицам — будь то пыльца растений, взвеси минералов или вообще любая измельченная субстанция, помещенная в жидкость. Но причины этого явления он выяснить не смог (не в обиду ботаникам, но все же, это не его специализация).

А теперь угадайте, кто смог применить этот эксперимент в доказательстве атомной теории строения вещества. Альберт Эйнштейн, кто же еще. Он объяснил его примерно так: взвешенная в воде спора подвергается постоянной «бомбардировке» со стороны хаотично движущихся молекул воды.

В среднем, молекулы воздействуют на нее со всех сторон с равной интенсивностью и через равные промежутки времени. Однако, как бы ни мала была частица, в силу чисто случайных отклонений сначала она получает импульс со стороны молекулы, ударившей ее с одной стороны, а затем — со стороны молекулы, ударившей ее с другой. И так далее.

Чуть позже, через 3 года после открытия Эйнштейна, в 1908 году французский физик Жан Батист Перрен провел серию опытов, которые подтвердили правильность эйнштейновского объяснения броуновского движения. Стало окончательно ясно, что наблюдаемое «хаотичное» движение броуновских частиц происходит вследствие межмолекулярных соударений. Поскольку вывод о том, что несуществующие в природе математические функции не могут привести к физическому взаимодействию, напрашивается сам собой, стало окончательно ясно, что спор о реальности атомов окончен: они существуют в природе.

Также, если еще раз посмотреть на второе положение молекулярно-кинетической теории, можно заметить, что броуновское движение очень хорошо его доказывает:
Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Явление, которое доказывает первое и второе положения молекулярно-кинетической теории называется диффузия.

• Диффузия — это взаимное проникновение частиц одного вещества в другое, обусловленное движением молекул.

Диффузия в газах

Если в комнате открыть флакон с духами или зажечь ароматизированную свечу, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов проникают между молекулами воздуха. На самом деле, в этом процессе очень большую роль играет такой вид теплопередачи, как конвекция, но и без диффузии не обошлось.

На самом деле, молекулы вокруг нас движутся очень быстро — со скоростью в сотни метров в секунду — это напрямую зависит от температуры.

Давайте проверим это сами несложным экспериментом:

Замерьте температуру воздуха в помещении. Распылите освежитель воздуха в одном углу, встаньте в другой и включите секундомер. А лучше проведите эксперимент вдвоем, чтобы один человек распылял, а другой включал секундомер — так не будет погрешности, но будет веселье 😉

Как только почувствуете аромат освежителя в противоположном от места распыления, выключите секундомер. Запишите результат измерения. А потом проветрите помещение и проделайте все то же самое. Время, через которое до вас дойдет запах, будет другим. Во втором случае аромат будет распространяться медленнее.

То есть, чем выше температура, тем больше скорость диффузии.

Диффузия в жидкостях

Если диффузия в газах происходит быстро — чаще всего за считанные секунды — то диффузия в жидкостях занимает минуты или в некоторых случаях часы. Зачастую это зависит от температуры (как и в эксперименте выше) и плотности вещества.

С диффузией в жидкостях вы встречаетесь, когда, например, размешиваете краску. Или когда смешиваете любые две жидкости, например, газировку с сиропом. Также из-за диффузии происходит загрязнение рек (да и в целом окружающей среды).

Ну или вот пример диффузии в жидкостях, с которым вы точно не встречались — акулы ищут свою жертву по запаху крови, который распространяется в океане за счет диффузии.

Диффузия в твёрдых телах

Диффузия в твёрдых телах происходит очень медленно. Например, при комнатной температуре (около 20 °С) за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм.

Кстати, если вы проведете такой эксперимент, то увидите, что в свинец проникло малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более одного миллиметра. Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.

Этот процесс можно ускорить за счет нагревания, как в жидкостях и газах. Если на тонкий свинцовый цилиндр нанести очень тонкий слой золота, и поместить эту конструкцию в печь на неделю при температуре воздуха в печи 200 градусов Цельсия, то после разрезания цилиндра на тонкие диски, очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Физика: Введение | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснять разницу между принципом и законом.
• Объясните разницу между моделью и теорией.

Рис. 1. Построение полета перелетных птиц, таких как канадские гуси, регулируется законами физики. (кредит: Дэвид Мерретт)

Физическая вселенная чрезвычайно сложна в своих деталях. Ежедневно каждый из нас наблюдает великое множество предметов и явлений. На протяжении веков любознательность человечества побуждала нас коллективно исследовать и систематизировать огромное количество информации. От полета птиц до цвета цветов, от молнии до гравитации, от кварков до скоплений галактик, от течения времени до тайны сотворения Вселенной — мы задавали вопросы и собирали огромное количество фактов. Перед лицом всех этих деталей мы обнаружили, что удивительно небольшой и единый набор физических законов может объяснить то, что мы наблюдаем. Мы, люди, делаем обобщения и стремимся к порядку. Мы обнаружили, что природа замечательно сотрудничает — она демонстрирует лежащий в основе порядок и простота мы так ценим.

Именно лежащий в основе порядок природы делает науку в целом и физику в частности интересной для изучения. Например, что общего между пакетом чипсов и автомобильным аккумулятором? Оба содержат энергию, которая может быть преобразована в другие формы. Закон сохранения энергии (который гласит, что энергия может изменять форму, но никогда не теряется) связывает воедино такие темы, как пищевые калории, батарейки, тепло, свет и часовые пружины. Понимание этого закона облегчает изучение различных форм, которые принимает энергия, и того, как они соотносятся друг с другом. По-видимому, несвязанные темы связаны между собой широко применимыми физическими законами, что позволяет понять нечто большее, чем просто запоминание списков фактов.

Объединяющий аспект физических законов и элементарная простота природы составляют основные темы этого текста. Научившись применять эти законы, вы, конечно же, изучите самые важные темы физики. Что еще более важно, вы приобретете аналитические способности, которые позволят вам применять эти законы далеко за пределами того, что может быть включено в одну книгу. Эти аналитические навыки помогут вам преуспеть в учебе, а также помогут вам критически мыслить в любой профессиональной карьере, которую вы выберете. В этом модуле обсуждается сфера физики (чтобы определить, что такое физика), некоторые приложения физики (чтобы проиллюстрировать ее связь с другими дисциплинами) и, точнее, то, что составляет физический закон (чтобы осветить важность экспериментов для теории).

Наука и область физики

Наука состоит из теорий и законов, являющихся общими истинами природы, а также совокупности знаний, которые они охватывают. Ученые постоянно пытаются расширить эту совокупность знаний и усовершенствовать выражение описывающих ее законов. Физика занимается описанием взаимодействий энергии, материи, пространства и времени, и его особенно интересует, какие фундаментальные механизмы лежат в основе каждого явления. Забота об описании основных явлений природы по существу определяет область физики .

Целью физики является описание функций всего, что нас окружает, от движения мельчайших заряженных частиц до движения людей, автомобилей и космических кораблей. На самом деле почти все, что вас окружает, можно довольно точно описать законами физики. Рассмотрим смартфон (рис. 2). Физика описывает, как электричество взаимодействует с различными цепями внутри устройства. Эти знания помогают инженерам выбирать подходящие материалы и компоновку схемы при создании смартфона. Далее рассмотрим систему GPS. Физика описывает взаимосвязь между скоростью объекта, расстоянием, которое он преодолевает, и временем, затрачиваемым на преодоление этого расстояния. Когда вы используете устройство GPS в автомобиле, оно использует эти уравнения физики для определения времени в пути из одного места в другое.

Рисунок 2. Apple «iPhone» — это обычный смартфон с функцией GPS. Физика описывает, как электричество течет по цепям этого устройства. Инженеры используют свои знания физики для создания iPhone с функциями, которые понравятся потребителям. Одной из особенностей iPhone является функция GPS. GPS использует уравнения физики для определения времени движения между двумя точками на карте. (кредит: @gletham GIS, Social, Mobile Tech Images)

Приложения физики

Вам не нужно быть ученым, чтобы использовать физику. Наоборот, знание физики полезно как в повседневных ситуациях, так и в ненаучных профессиях. Это может помочь вам понять, как работают микроволновые печи, почему в них нельзя помещать металлы и почему они могут повлиять на работу кардиостимуляторов. (См. рис. 3.) Физика позволяет понять опасности радиации и более легко рационально оценить эти опасности. Физика также объясняет, почему черный автомобильный радиатор помогает отводить тепло в двигателе автомобиля, и объясняет, почему белая крыша помогает сохранять прохладу внутри дома. Точно так же работу системы зажигания автомобиля, а также передачу электрических сигналов через нервную систему нашего тела гораздо легче понять, если подумать о них с точки зрения элементарной физики.

Физика лежит в основе многих важных дисциплин и вносит непосредственный вклад в другие. Химия, например, — поскольку она имеет дело с взаимодействиями атомов и молекул — уходит своими корнями в атомную и молекулярную физику. Большинство отраслей техники относятся к прикладной физике. В архитектуре физика лежит в основе структурной стабильности и связана с акустикой, отоплением, освещением и охлаждением зданий. Части геологии в значительной степени зависят от физики, например, радиоактивное датирование горных пород, анализ землетрясений и теплопередача в Земле. Некоторые дисциплины, такие как биофизика и геофизика, являются гибридами физики и других дисциплин.

Физика имеет множество применений в биологических науках. На микроскопическом уровне это помогает описать свойства клеточных стенок и клеточных мембран (рис. 4 и рис. 5). На макроскопическом уровне это может объяснить тепло, работу и мощность, связанные с человеческим телом. Физика участвует в медицинской диагностике, такой как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковые измерения кровотока. Медицинская терапия иногда напрямую связана с физикой; например, при лучевой терапии рака используется ионизирующее излучение. Физика также может объяснить сенсорные явления, например, как музыкальные инструменты издают звук, как глаз определяет цвет и как лазеры могут передавать информацию.

Нет необходимости формально изучать все приложения физики. Самое полезное — это знание основных законов физики и владение аналитическими методами их применения. Изучение физики также может улучшить ваши навыки решения задач. Кроме того, физика сохранила самые основные аспекты науки, поэтому она используется всеми науками, а изучение физики облегчает понимание других наук.

Рис. 3. Эти два приложения физики имеют больше общего, чем кажется на первый взгляд. Микроволновые печи используют электромагнитные волны для разогрева пищи. Магнитно-резонансная томография (МРТ) также использует электромагнитные волны для получения изображения головного мозга, по которому можно определить точное местоположение опухолей. (кредит: Рашми Чавла, Дэниел Смит и Пол Э. Марик)

Рисунок 4. Физика, химия и биология помогают описать свойства клеточных стенок в растительных клетках, таких как показанные здесь клетки лука. (кредит: Umberto Salvagnin)

Рисунок 5. Художественное представление структуры клеточной мембраны. Мембраны образуют границы клеток животных и имеют сложную структуру и функции. Многие из наиболее фундаментальных свойств жизни, например возбуждение нервных клеток, связаны с мембранами. Такие дисциплины, как биология, химия и физика, помогают нам понять мембраны клеток животных. (кредит: Мариана Руис)

Модели, теории и законы; Роль экспериментов

Законы природы — это краткие описания окружающей нас вселенной; это человеческие утверждения основных законов или правил, которым следуют все естественные процессы. Такие законы присущи Вселенной; люди не создавали их и поэтому не могут их изменить. Мы можем только обнаружить и понять их. Их открытие — это очень человеческое усилие, со всеми элементами тайны, воображения, борьбы, триумфа и разочарования, присущими любому творческому усилию. (См. рис. 6 и рис. 7.) Краеугольным камнем открытия законов природы является наблюдение; наука должна описывать Вселенную такой, какая она есть, а не такой, какой мы ее себе представляем.

Рис. 6. Исаак Ньютон (1642–1727) очень не хотел публиковать свои революционные работы, и его нужно было убедить сделать это. В более поздние годы он ушел со своего академического поста и стал казначеем Королевского монетного двора. Он серьезно отнесся к этому посту, изобретя тростник (или создание гребней) на краю монет, чтобы недобросовестные люди не могли срезать с них серебро перед тем, как использовать их в качестве валюты. (кредит: Артур Шустер и Артур Э. Шипли: Британское научное наследие. Лондон, 1917.)

Рис. 7. Мария Кюри (1867–1934) пожертвовала денежными средствами, чтобы помочь финансировать свои ранние исследования, и навредила своему физическому благополучию радиационным облучением. Она единственный человек, получивший Нобелевскую премию как по физике, так и по химии. Одна из ее дочерей также получила Нобелевскую премию. (кредит: Wikimedia Commons)

Всем нам в той или иной степени любопытно. Мы смотрим вокруг, делаем обобщения и пытаемся понять, что видим — например, мы смотрим вверх и задаемся вопросом, сигнализирует ли один тип облаков о надвигающейся буре. По мере того, как мы серьезно относимся к изучению природы, мы становимся более организованными и формальными в сборе и анализе данных. Мы пытаемся добиться большей точности, проводим контролируемые эксперименты (если можем) и записываем идеи о том, как данные могут быть организованы и объединены. Затем мы формулируем модели, теории и законы на основе данных, которые мы собрали и проанализировали, чтобы обобщить и сообщить результаты этих экспериментов.

Модель — это представление того, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую. Хотя модель подтверждается экспериментальными доказательствами, она точна только в ограниченных ситуациях. Примером может служить планетарная модель атома, в которой электроны изображаются вращающимися вокруг ядра, аналогично тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. (См. рис. 8.) Мы не можем наблюдать электронные орбиты напрямую, но мысленный образ помогает объяснить наблюдения, которые мы можем сделать, такие как излучение света горячими газами (атомные спектры). Физики используют модели для самых разных целей. Например, модели могут помочь физикам проанализировать сценарий и выполнить расчет, или их можно использовать для представления ситуации в форме компьютерного моделирования. А 9Теория 0015 — это объяснение закономерностей в природе, которое подтверждается научными данными и многократно проверяется различными группами исследователей. Некоторые теории включают модели, помогающие визуализировать явления, а другие нет. Теория гравитации Ньютона, например, не требует модели или мысленного образа, потому что мы можем наблюдать объекты непосредственно с помощью наших собственных чувств. Кинетическая теория газов, с другой стороны, представляет собой модель, в которой газ рассматривается как состоящий из атомов и молекул. Атомы и молекулы слишком малы, чтобы их можно было непосредственно наблюдать нашими органами чувств, поэтому мы рисуем их мысленно, чтобы понять, что наши приборы говорят нам о поведении газов.

Закон использует краткий язык для описания обобщенной закономерности в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами. Часто закон можно выразить в виде одного математического уравнения. Законы и теории схожи в том, что они являются научными утверждениями, которые являются результатом проверенной гипотезы и подтверждаются научными данными. Однако обозначение закон зарезервировано для краткого и очень общего утверждения, описывающего явления в природе, например закон сохранения энергии во время любого процесса или второй закон движения Ньютона, который связывает силу, массу и ускорение по простому уравнению F = м a . Теория, напротив, представляет собой менее сжатое изложение наблюдаемых явлений. Например, Теория Эволюции и Теория Относительности не могут быть выражены достаточно кратко, чтобы считаться законом. Самая большая разница между законом и теорией заключается в том, что теория намного сложнее и динамичнее. Закон описывает одно действие, тогда как теория объясняет целую группу связанных явлений. И если закон — это постулат, формирующий основу научного метода, то теория — конечный результат этого процесса.

Менее широко применимые утверждения обычно называют принципами (например, принцип Паскаля, который применим только к жидкостям), но различие между законами и принципами часто не проводится тщательно.

Рисунок 8. Что такое модель? Эта планетарная модель атома показывает электроны, вращающиеся вокруг ядра. Это рисунок, который мы используем, чтобы сформировать мысленный образ атома, который мы не можем видеть непосредственно нашими глазами, потому что он слишком мал.

Модели, теории и законы

Модели, теории и законы помогают ученым анализировать уже собранные данные. Однако часто после того, как модель, теория или закон были разработаны, они указывают ученым на новые открытия, которые они иначе не сделали бы.

Модели, теории и законы, которые мы изобретаем, иногда подразумевают существование еще не наблюдаемых объектов или явлений. Эти предсказания — замечательные триумфы и дань уважения силе науки. Именно лежащий в основе Вселенной порядок позволяет ученым делать такие впечатляющие предсказания. Однако если эксперимент не подтверждает наши предсказания, тогда теория или закон ошибочны, какими бы изящными или удобными они ни были. Законы никогда не могут быть известны с абсолютной уверенностью, потому что невозможно провести все вообразимые эксперименты, чтобы подтвердить закон во всех возможных сценариях. Физики исходят из предположения, что все научные законы и теории действительны до тех пор, пока не будет найден контрпример. Если качественный, поддающийся проверке эксперимент противоречит хорошо установленному закону, то закон должен быть изменен или полностью отменен.

Изучение науки в целом и физики в частности — это приключение, очень похожее на исследование неизведанного океана. Открытия сделаны; формулируются модели, теории и законы; и красота физической вселенной становится более возвышенной благодаря полученным прозрениям.

Научный метод

Когда ученые изучают и собирают информацию о мире, они следуют процессу, называемому научным методом . Этот процесс обычно начинается с наблюдения и вопроса, который исследует ученый. Затем ученый обычно проводит некоторое исследование по теме, а затем выдвигает гипотезу. Затем ученый проверит гипотезу, проведя эксперимент. Наконец, ученый анализирует результаты эксперимента и делает вывод. Обратите внимание, что научный метод можно применять ко многим ситуациям, не ограничивающимся наукой, и этот метод можно модифицировать в зависимости от ситуации.

Рассмотрим пример. Допустим, вы пытаетесь завести машину, но она не заводится. Вы, несомненно, задаетесь вопросом: почему машина не заводится? Вы можете следовать научному методу, чтобы ответить на этот вопрос. Во-первых, вы можете провести некоторое исследование, чтобы определить множество причин, по которым машина не заводится. Далее вы сформулируете гипотезу. Например, вы можете полагать, что машина не заводится, потому что в ней нет моторного масла. Чтобы проверить это, вы открываете капот автомобиля и проверяете уровень масла. Вы замечаете, что уровень масла находится на приемлемом уровне, и, таким образом, делаете вывод, что уровень масла не влияет на проблемы с вашим автомобилем. Для дальнейшего устранения проблемы вы можете разработать новую гипотезу для проверки, а затем повторить процесс еще раз.

Эволюция естественной философии в современную физику

Физика не всегда была отдельной дисциплиной. Он остается связанным с другими науками и по сей день. Слово физика происходит от греческого, что означает природа. Изучение природы стало называться «натурфилософией». С древних времен до эпохи Возрождения натурфилософия охватывала многие области, включая астрономию, биологию, химию, физику, математику и медицину. За последние несколько столетий рост знаний привел к все большей специализации и разветвлению натурфилософии на отдельные области, при этом физика сохранила самые основные грани. (См. рис. 9, рис. 10 и рис. 11.) Физика в том виде, в каком она развивалась с эпохи Возрождения до конца 19 века, называется классической физикой . Она была преобразована в современную физику революционными открытиями, сделанными в начале 20 века.

Рис. 9. На протяжении столетий натурфилософия развилась в более специализированные дисциплины, о чем свидетельствует вклад некоторых из величайших умов в истории. Греческий философ Аристотель (384–322 гг. до н. э.) писал на самые разные темы, включая физику, животных, душу, политику и поэзию. (кредит: Ястров (2006)/Коллекция Людовизи)

Рис. 11. Галилео Галилей (1564–1642) заложил основы современных экспериментов и внес вклад в математику, физику и астрономию. (кредит: Доменико Тинторетто)

Рис. 10. Нильс Бор (1885–1962) внес фундаментальный вклад в развитие квантовой механики, одного из разделов современной физики. (кредит: Отдел печати и фотографий Библиотеки Конгресса США)

Классическая физика не является точным описанием Вселенной, но является превосходным приближением при следующих условиях: скорости света, объекты должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть в микроскоп, и могут быть задействованы только слабые гравитационные поля, такие как поле, создаваемое Землей. Поскольку люди живут в таких условиях, классическая физика кажется интуитивно разумной, в то время как многие аспекты современной физики кажутся странными. Вот почему модели так полезны в современной физике — они позволяют нам концептуализировать явления, с которыми мы обычно не сталкиваемся. Мы можем относиться к моделям с точки зрения человека и визуализировать, что происходит, когда объекты движутся с высокой скоростью, или представлять, на что могут быть похожи объекты, которые слишком малы, чтобы их можно было наблюдать нашими органами чувств. Например, мы можем понять свойства атома, потому что можем представить его в своем воображении, хотя мы никогда не видели атом своими глазами. Новые инструменты, конечно же, позволяют нам лучше изображать явления, которых мы не видим. На самом деле, новые приборы позволили нам в последние годы действительно «изобразить» атом.

Ограничения законов классической физики

Для применения законов классической физики должны выполняться следующие критерии: Материя должна двигаться со скоростью менее примерно 1% скорости света, объекты, с которыми имеет дело должно быть достаточно большим, чтобы его можно было увидеть в микроскоп, и могут быть задействованы только слабые гравитационные поля (например, поле, создаваемое Землей).

Рис. 12. С помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) ученые могут увидеть отдельные атомы, из которых состоит этот лист золота. (кредит: Эрвинроссен)

Некоторые из самых выдающихся научных достижений были сделаны в современной физике. Многие законы классической физики были изменены или отвергнуты, что привело к революционным изменениям в технологии, обществе и нашем видении Вселенной. Подобно научной фантастике, современная физика полна очаровательных объектов, выходящих за рамки нашего обычного опыта, но у нее есть преимущество перед научной фантастикой в ​​том, что она очень реальна. Почему же тогда большая часть этого текста посвящена темам классической физики? Есть две основные причины: классическая физика дает чрезвычайно точное описание Вселенной в широком диапазоне повседневных обстоятельств, а знание классической физики необходимо для понимания современной физики.

Современная физика сама состоит из двух революционных теорий, теории относительности и квантовой механики. Эти теории имеют дело с очень быстрыми и очень маленькими соответственно. Относительность следует использовать всякий раз, когда объект движется со скоростью более 1% скорости света или испытывает сильное гравитационное поле, такое как вблизи Солнца. Квантовая механика должна использоваться для объектов меньше, чем можно увидеть в микроскоп. Комбинация этих двух теорий релятивистской квантовой механики, и описывает поведение небольших объектов, движущихся с высокой скоростью или находящихся в сильном гравитационном поле. Релятивистская квантовая механика — это лучшая универсальная теория, которая у нас есть. Из-за своей математической сложности она используется только при необходимости, а другие теории используются всякий раз, когда они дадут достаточно точные результаты. Мы обнаружим, однако, что многое из современной физики можно сделать с помощью алгебры и тригонометрии, используемых в этом тексте.

Проверьте свое понимание 

Друг говорит вам, что узнал о новом законе природы. Что вы можете знать об информации еще до того, как ваш друг опишет закон? Как изменилась бы информация, если бы ваш друг сказал вам, что он узнал о научной теории, а не о законе?

Решение

Не зная подробностей закона, вы все же можете сделать вывод, что информация, которую узнал ваш друг, соответствует требованиям всех законов природы: это будет краткое описание окружающей нас вселенной; изложение основных правил, которым следуют все естественные процессы. Если бы информация была теорией, вы могли бы сделать вывод, что информация будет крупномасштабным, широко применимым обобщением.

PhET Explorations: Equation Grapher

Узнайте о построении графиков полиномов. Форма кривой изменяется по мере корректировки констант. Просмотрите кривые для отдельных условий (например, y = bx ), чтобы увидеть, как они складываются для создания полиномиальной кривой.

Нажмите, чтобы запустить симуляцию.

Резюме раздела

• Наука стремится открыть и описать лежащий в основе порядок и простоту в природе.
• Физика — самая основная из наук, занимающаяся энергией, материей, пространством и временем и их взаимодействием.
• Научные законы и теории выражают общие истины природы и совокупность знаний, которые они охватывают. Эти законы природы являются правилами, которым следуют все естественные процессы.

Концептуальные вопросы

1. особенно полезны в теории относительности и квантовой механике, где условия отличаются от тех, с которыми обычно сталкиваются люди. Что такое модель?

2. Чем отличается модель от теории?

3. Если две разные теории одинаково хорошо описывают экспериментальные наблюдения, можно ли сказать, что одна из них более достоверна, чем другая (при условии, что обе используют общепринятые правила логики)?

4. Что определяет достоверность теории?

5. Чтобы верить измерению или наблюдению, должны быть выполнены определенные критерии. Будут ли критерии для ожидаемого результата обязательно такими же строгими, как и для неожиданного?

6. Может ли модель быть ограниченной или она должна быть универсальной? Как это соотносится с требуемой достоверностью теории или закона?

7. Классическая физика при определенных обстоятельствах является хорошим приближением к современной физике. Кто они такие?

8. Когда необходимо использовать релятивистскую квантовую механику?

9. Можно ли с помощью классической физики точно описать спутник, движущийся со скоростью 7500 м/с? Объясните, почему да или почему нет.

Глоссарий

классическая физика:

физика, которая развивалась с эпохи Возрождения до конца XIX века

физика:

наука, занимающаяся описанием взаимодействий энергии, материи, пространства и времени; его особенно интересует, какие фундаментальные механизмы лежат в основе каждого явления

Модель:

представление того, что часто слишком сложно (или невозможно) отобразить напрямую

теория:

объяснение закономерностей в природе, подкрепленное научными данными и неоднократно проверенное различными группами исследователей

закон:

описание с использованием краткого языка или математической формулы обобщенной закономерности в природе, которая подтверждается научными данными и повторными экспериментами

научный метод:

метод, который обычно начинается с наблюдения и вопроса, который исследует ученый; затем ученый обычно проводит некоторое исследование по теме, а затем выдвигает гипотезу; затем ученый проверит гипотезу, проведя эксперимент; наконец, ученый анализирует результаты эксперимента и делает вывод

современная физика:

изучение теории относительности, квантовой механики или того и другого

относительность:

изучение объектов, движущихся со скоростями, превышающими примерно 1% скорости света, или объектов, подвергающихся воздействию сильного гравитационного поля

квантовая механика:

изучение объектов меньшего размера, чем можно увидеть с помощью микроскопа

Где математика встречается с физикой | Penn Today

В научном сообществе слово «междисциплинарный» может показаться заезженным современным модным словом. Но объединение разных академических дисциплин — далеко не новая концепция. Математика, химия, физика и биология в течение многих лет объединялись под эгидой «натурфилософии», и только по мере роста знаний и необходимости специализации эти дисциплины становились более специализированными.

Поскольку многие сложные научные вопросы все еще нуждаются в ответах, работа в нескольких областях теперь рассматривается как неотъемлемая часть исследований. Многолетнее сотрудничество между кафедрами физики, астрономии и математики в Penn демонстрирует важность междисциплинарных исследований, выходящих за рамки традиционных границ. Успехи в геометрии, теории струн и физике элементарных частиц, например, стали возможными благодаря командам исследователей, которые говорят на разных «языках», принимают новые исследовательские культуры и понимают силу решения проблем с помощью междисциплинарного подхода.

Сказка о двух дисциплинах

Математика и физика — две тесно связанные области. Для физиков математика — это инструмент, используемый для ответа на вопросы. Например, Ньютон изобрел исчисление для описания движения. Для математиков физика может быть источником вдохновения, а теоретические концепции, такие как общая теория относительности и квантовая теория, побуждают математиков разрабатывать новые инструменты.

Но, несмотря на их тесную связь, физические и математические исследования опираются на разные методы. Будучи систематическим изучением поведения материи, физика охватывает изучение как большого, так и малого, от галактик и планет до атомов и частиц. Вопросы решаются с использованием комбинаций теорий, экспериментов, моделей и наблюдений, чтобы либо поддержать, либо опровергнуть новые идеи о природе Вселенной.

Напротив, математика сосредоточена на абстрактных темах, таких как количество (теория чисел), структура (алгебра) и пространство (геометрия). Математики ищут закономерности и разрабатывают новые идеи и теории, используя чистую логику и математические рассуждения. Вместо экспериментов или наблюдений математики используют доказательства для поддержки своих идей.

Хотя физики в своей работе в значительной степени полагаются на математику при расчетах, они не стремятся к фундаментальному пониманию абстрактных математических идей так, как это делают математики. Физикам «нужны ответы, и они получают ответы, выполняя вычисления», — говорит математик Тони Пантев. «Но в математике вычисления — это просто украшение на торте. Вы должны понимать все полностью, , затем , и вы делаете вычисления».

Это фундаментальное различие побуждает исследователей в обеих областях использовать аналогию языка, подчеркивая необходимость «перевода» идей для достижения прогресса и понимания друг друга. «Мы занимаемся тем, как сформулировать вопросы физики, чтобы их можно было рассматривать как математическую задачу», — говорит физик Мирьям Цветич. «Обычно это самая сложная часть».

Камьен работает над физическими задачами, тесно связанными с геометрией и топологией, и призывает своих учеников понимать проблемы так, как это делают математики. «Понимание вещей ради их понимания стоит того, и связывать их с вещами, которые знают другие люди, тоже стоит», — говорит он.

«К нам приходит физик, спрашивает: «Как вы докажете, что это правда?», и мы тут же показываем им, что это ложь», — говорит математик Рон Донаги. «Но мы продолжаем говорить, и фокус не в том, чтобы делать то, что они говорят, а в том, что они имеют в виду, перевод проблемы».

В дополнение к различиям в методологии и языке, математика и физика также имеют разные исследовательские культуры. В физике в статьях могут участвовать десятки соавторов и организаций, а исследователи публикуют свои работы несколько раз в год. Напротив, математики могут работать над одной проблемой, на решение которой уходят годы с небольшим числом сотрудников. «Иногда в статьях по физике говорится: «Мы открыли эту штуку, разве это не круто», — говорит физик Рэнди Камьен. «Но математика никогда не бывает такой. Все сводится к пониманию вещей ради их понимания. В культурном отношении это совсем другое».

Обратите внимание на пробел 

На вопрос, как математики и физики могут преодолеть эти фундаментальные пробелы и успешно работать вместе, многие исследователи ссылаются на часто цитируемый пример, который также имеет отношение к Пенну. В 1950-х годах Эудженио Калаби, ныне почетный профессор, предположил существование шестимерного многообразия — топологического пространства, устроенного таким образом, что сложные структуры могут быть описаны и поняты проще. После того, как существование многообразия было доказано в 1978 Шинг-Тунг Яу, это новое открытие должно было стать фундаментальным компонентом новой идеи в физике элементарных частиц: теории струн.

Предложенная в 1970-х годах в качестве кандидата в основу «теории всего», она описывает материю как состоящую из одномерных вибрирующих струн, образующих элементарные частицы, такие как электроны и нейтрино, а также силы, такие как гравитация и электромагнетизм. Проблема, однако, заключается в том, что теория струн требует 10-мерной вселенной, поэтому физики обратились к многообразиям Калаби-Яу как к месту для размещения «дополнительных» измерений.

Поскольку структура очень сложна и только недавно была доказана математиками, ее было непросто напрямую внедрить в физическую структуру, хотя физики постоянно используют математику в своей работе. Физики «используют дифференциальную геометрию, но она известна давно», — говорит физик Берт Оврут. «Когда внезапно появляется теория струн, кто, черт возьми, знает, что такое многообразие Калаби-Яу?»

Благодаря совместным усилиям Эда Виттена, физика с сильными математическими знаниями, и математика Майкла Атьи исследователи нашли способ применить многообразия Калаби-Яу в теории струн. Именно способность Виттена помочь перевести идеи между двумя областями, по мнению многих исследователей, сыграла важную роль в успешном применении совершенно новых идей из математики в перспективных физических теориях.

Многообразия Калаби-Яу, предложенные в 1950-х годах почетным профессором Эудженио Калаби, являются фундаментальным компонентом исследований как в физике элементарных частиц, включая такие области, как теория струн, так и в передовых математических исследованиях гомологической зеркальной симметрии (Изображение: Фонд Саймонса).

В Пенсильвании математики, в том числе Донаги, Пантев и Антонелла Грасси, и физики Цветич, Камьен, Оврут и Джонатан Хекман также осознали важность общения на одном языке при работе в двух областях. Они считают Пенн местом, которое особенно хорошо подходит для налаживания связей и устранения пробелов в культурных, языковых и методологических различиях, и они приписывают свой успех времени, потраченному на выслушивание новых идей и разработку способов «перевода» между языками.

Для Донаги это была случайная встреча с Виттеном в середине 1990-х годов, которая привела математика к его первому сотрудничеству с исследователем за пределами чистой математики. Ему так понравилось работать с Виттеном, что он обратился к физикам Penn Цветичу и Овруту, чтобы начать «местное» перекрестное сотрудничество. «С тех пор я попал на крючок и общался с физиками не меньше, чем с другими математиками, — говорит Донаги.

В середине 2000-х Донаги и Оврут совместно с Пантевом и Грасси руководили программой по математике и физике, которую поддерживало Министерство энергетики США. Это сотрудничество ознаменовало собой успешное первое официальное сотрудничество по математике и физике в Пенсильвании. Как объясняет Оврут, работа была сосредоточена на конкретном виде теории струн и требовала чрезвычайно тесного взаимодействия между исследователями-физиками и математиками. «Это было на самом краю математики и алгебраической геометрии, поэтому я не мог сделать этого сам, а математики очень интересовались этими вещами».

Цветич, давний сотрудник Донаги и Грасси, говорит, что математики Пенна обладают необходимым опытом, чтобы помочь ответить на важные вопросы физики, и что их сотрудничество на стыке теории струн и алгебраической геометрии «чрезвычайно плодотворно и продуктивно».

«Я думаю, что это было невероятно продуктивно и полезно для обеих наших групп, — говорит Донаги. «Мы занимаемся этим дольше, чем кто-либо другой, и у нас действительно хорошие прочные связи между группами. Они почти стали одной группой».

«Что облегчает этот тип исследований, так это то, что мы можем поговорить с физиками», — говорит Пантев (справа), который много лет работал с Цветичем и Донаги. «Когда мы говорим с ними, они знают, как говорить на нашем языке, и они могут объяснить вопросы, с которыми они борются, таким образом, чтобы мы могли понять их и найти к ним подход».

Что касается культурных различий, то такие физики, как Камьен, который работает над задачами, тесно связанными с геометрией и топологией, поощряют членов своей группы пытаться понять математику так, как это делают математики, вместо того, чтобы рассматривать ее только как инструмент для своей работы. . «Мы пытались усвоить не только их язык, но и их культуру, то, как они понимают вещи, как иногда лучше понимать проблему глубже», — говорит он.

Пересечение путей

Крейг Лори и Линг Лин, нынешний и бывший постдоктор, работавший с Цветичем и Хекманом, не понаслышке знают как о проблемах, так и о возможностях работы над проблемой, которая сочетает в себе передовые математические и физические знания. Такие физики, как Лори и Лин, работающие в области М-теории и F-теории, пытаются выяснить, какие типы частиц могут создавать различные геометрические структуры, одновременно удаляя «лишние» шесть измерений.

Добавление дополнительных симметрий упрощает работу с проблемами теории струн и позволяет исследователям задавать вопросы о свойствах геометрических структур и о том, как они соответствуют физике реального мира. Опираясь на предыдущую работу Хекмана, Лори и Лин смогли извлечь физические особенности из известных геометрий в пятимерных системах, чтобы увидеть, перекрываются ли эти частицы с частицами стандартной модели. Используя свои знания как в физике, так и в математике, исследователи показали, что геометрия в разных измерениях связана математически, а это означает, что им легче изучать частицы в разных измерениях.

Используя свою физическую интуицию, Лори и Лин смогли применить свои знания математики, чтобы сделать новые открытия, которые были бы невозможны, если бы эти две области использовались по отдельности. «То, что мы обнаружили, предполагает, что теории в пяти измерениях исходят из теорий в шести измерениях», — объясняет Лин. «Это то, о чем математики, если бы они ничего не знали о теории струн или физике, не подумали бы».

Лори добавляет, что возможность работать напрямую с математиками также полезна в их области, поскольку понимание новых математических исследований может быть проблемой даже для исследователей теоретической физики. «Как физики, мы можем вести долгую дискуссию, используя большую часть интуиции, но если вы поговорите с математиком, он скажет: «Подождите, что именно вы имеете в виду?» предположения», — говорит Лори. «Это также хорошо для прояснения нашего собственного мыслительного процесса».

Родриго Барбоза также знает, что значит работать в разных областях, в его случае переходя от математики к физике. Изучая семимерное многообразие в рамках своей докторской диссертации. программы, Барбоза связался на конференции с Лори из-за их общих исследовательских интересов. Затем они смогли объединить свой опыт благодаря успешному междисциплинарному сотрудничеству, работе, которая была мотивирована докторской степенью Барбозы. исследования в области математики, в которых участвовали как младшие, так и старшие преподаватели, а также постдоки и аспиранты физики.

Хотя Барбоза говорит, что работа была сложной, особенно потому, что он был единственным математиком в группе, он также нашел ее полезной. Ему нравилось давать математические объяснения некоторым сложным понятиям, и он наслаждался редкой возможностью так тесно сотрудничать с исследователями за пределами своей области, еще будучи в аспирантуре. «Я очень благодарен за то, что защитил докторскую диссертацию. в Пенне, потому что это действительно одно из немногих мест, где такое могло произойти», — говорит он.

Следующее поколение

Преподаватели обоих факультетов считают следующее поколение студентов и постдоков «амбидекстрами», обладающими фундаментальными навыками, знаниями и интуицией как в математике, так и в физике. «Молодые люди очень утонченные и открытые, — говорит Пантев. «В прежние времена было очень трудно заниматься исследованиями, связанными с физикой, если вы были математиком, потому что мышление было совершенно другим. Теперь молодые люди в равной степени разбираются в обоих способах мышления, поэтому им легко добиться прогресса».

Хекман присоединился к физическому факультету в 2017 году и уже активно сотрудничает с математическим факультетом. «Что делает это место таким замечательным, так это то, что мы говорим на одном языке», — говорит он. — Хотя Рон говорит, что мы иногда говорим с акцентом.

Хекман также принадлежит к этому новому поколению симметричных исследователей, и за два года работы в Пенсильвании он стал соавтором нескольких статей и начал новые проекты с математиками. Он говорит, что исследователи, которые хотят добиться успеха в будущем, должны уметь сбалансировать потребности обеих областей. «Некоторые студенты ведут себя больше как математики, и мне приходится направлять их, чтобы они действовали больше как физики, а у других лучше развита физическая интуиция, но им нужно осваивать математику», — говорит он.

Это баланс, который требует сочетания гибкости и точности, и он будет постоянной проблемой, поскольку темы становятся все более сложными, а новые наблюдения делаются на основе физических экспериментов. «Математики хотят сделать все четко определенным и строгим. С точки зрения физики, иногда вы хотите получить ответ, который не требует четкого определения, поэтому вам нужно пойти на компромисс», — говорит Лин.

Этот компромисс привлек Барбозу к большему сотрудничеству с физиками, добавив, что эти две области дополняют друг друга. «Проблемы стали настолько сложными, что вам нужен вклад со всех возможных сторон. Физика работает, находя примеры и описывая решения, в то время как в математике вы пытаетесь увидеть, насколько общими являются эти уравнения и как вещи сочетаются друг с другом», — говорит Барбоза. Ему также нравится, что физика дает ему возможность быстрее отвечать на вопросы, чем в чистой математике, где на решение задач могут уйти годы.

Будущее кроссовера

Будущее междисциплинарных исследований будет во многом зависеть от следующего поколения, но Пенн имеет хорошие возможности для продолжения этих усилий благодаря близости двух отделов, общим грантам, перекрестным спискам курсов, а также студентам и докторантам, которые активно работают над проблемы по полям. «Происходит постоянный поток базовых знаний, благодаря которому ученики становятся грамотными и свободно владеют сложным языком», — говорит Пантев. «Я думаю, что мы впереди кривой, и я думаю, что мы останемся впереди кривой».

Многие в Penn согласны с тем, что это уникальная черта их двух отделов. «Очень редко бывают такие близкие отношения между математиками, которые действительно слушают то, что мы говорим», — говорит Оврут. «Пенн должен гордиться такой синергией. Это не то, что вы видите каждый день».

Оврут (слева) вместе с Донаги был одним из руководителей невероятно успешной совместной программы по математике и физике, ставшей первым официальным сотрудничеством двух факультетов Пенсильванского университета.

Родриго Барбоза — доцент-исследователь Центра геометрии и физики Саймонса в Университете штата Нью-Йорк, Стоуни-Брук. Он получил докторскую степень. по математике от Penn в 2019 году. 

Мирьям Цветич — профессор Фэй Р. и Юджина Л. Лангберг кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук Пенсильванского университета 9 0288 . У нее также есть второстепенная должность на кафедре математики, и недавно она была назначена главным исследователем коллаборации Саймонса по специальной голономии в геометрии, анализе и физике.

Рон Донаги является профессором факультета математики Школы искусств и наук Пенсильванского университета . Он также имеет второстепенное назначение в Кафедра физики и астрономии .

Джонатан Хекман — доцент кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук Пенсильванского университета 8 9. У него также есть второстепенная должность в Департаменте математики .

Рэндалл Камьен — профессор естественных наук Вики и Уильяма Абрамс в 9-м0288 Факультет физики и астрономии в Школе искусств и наук в Пенсильванском университете .