Введення в фізику

А.М. Карбівничий

Фізика9

 

Частина 1.

  Механіка                          

                                                            

Передмова

Можливо, ви мрієте стати фаховим юристом, економістом, чи , скажімо, вчителем історії  і думаєте, що ваше майбутнє менш за все залежатиме від того, знатимете ви фізику чи ні. Вимушений вас застерегти, – ви помиляєтесь. І не  тому, що в майбутньому на вас очікують випускні чи вступні іспити з фізики. Існують більш глибинні та значно важливіші причини, які спонукають і завжди будуть спонукати думаючих людей вивчати фізику. Серед різноманіття цих причин можна виділити наступні:

  1.  Фізика, це та фундаментальна наука, яка визначально формує науковий світогляд людини. Подивіться навколо себе і ви побачите та відчуєте безкінечно різноманітний світ, який прийнято називати Природою. При цьому те, що ви побачите і відчуєте, це лише мізерна частина того, що існує насправді і що є предметом вивченні фізики – науки, яка дозволяє пояснити практично все , що відбувалося, відбувається і буде відбуватися в цьому світі, починаючи від моменту його народження і закінчуючи моментом його майбутньої смерті, починаючи від будови атомного ядра і закінчуючи загальним устроєм Всесвіту, починаючи від властивостей елементарних частинок і закінчуючи властивостями супер складних систем, які називаються живими організмами. І якщо ви прагнете дійсно стати освіченою людиною, то в незалежності від обраного вами фаху, ви повинні мати певну систему достовірних знань, про навколишній світ. А основним джерелом цих знань є фізика – наука про Природу.

  2.  Фізика – це та фундаментальна наука, в процесі вивчення якої визначально формується вміння логічно та творчо мислити, тобто те вміння, яке називається інтелектом ( розумом)  і яке по-суті відрізняє людину від інших живих істот .

Можливо ви думаєте, що людина за своєю генетичною природою є розумною. На жаль, а можливо на щастя, це не правда. Людина не народжується розумною. Вона народжується лише такою, що здатна стати розумною. І якщо  людину по праву називають  Homo sapiens, що в перекладі  означає “людина розумна”, то це тільки тому, що в процесі спілкування з іншими людьми і в процесі спеціального навчання, вона реалізує  свою потенціальну здатність бути розумною. Якщо  ж таке спілкування і таке навчання відсутнє, то інтелектуальний потенціал людини  залишається не реалізованим. Скажімо “виховане” в зграї вовків немовля після шестирічного віку практично не можливо не те що навчити писати, читати, чи розв’язувати задачі, а навіть говорити і самостійно одягатися. І це не домисли вчених, а достовірно встановлені факти. Звичайно, всі ви виховувались в сім’ї, постійно спілкувалися з іншими людьми, дивились телевізор, слухали радіо, навчались в дитсадку та початковій школі. А це означає, що кожен із вас вже сьогодні є безумовно розумною людиною.  І якщо сьогодні ми говоримо про роль фізики в процесі розвитку інтелектуальних здібностей людини, то маємо на увазі ту форму логічного і творчого мислення, яка дозволяє людині розумній стати творчою особистістю і без якої не буває видатних письменників, економістів, політиків, футболістів, піаністів, будівельників, тощо. Тому, якщо ви мрієте стати не просто економістом, а економістом видатним, не просто юристом, а видатним юристом, не просто істориком, а  істориком  видатним, то маєте усвідомити, що це стане можливим лише в тому випадку, коли ви опануєте мистецтвом логічного та творчого мислення. А на цьому шляху кращого вчителя, аніж фізика просто не існує. Адже саме фізика органічно поєднує логіку формального математичного мислення з творчою логікою практичного повсякденного життя.

  3.  Фізика, це та фундаментальна наука, яка є основою науково-технічного прогресу і науковою базою сучасної цивілізації.

              Життя сучасної цивілізованої людини не можливо уявити без електрики  сучасних будинків, сучасних систем опалення та водопостачання, автомобільного, залізничного, повітряного та водного транспорту, радіо і телебачення, телефонного і мобільного зв’язку, комп’ютерів, пральних машин, кондиціонерів, холодильників, тобто всього того, що власне і складає матеріальну суть цивілізованого життя.  А всі ці атрибути цивілізації є прямими результатами досягнень фізики і тих її розділів, які називаються технічною механікою, опором матеріалів, електротехнікою, електронікою, гідрогазодинамікою, матеріалознавством, тощо.

Звичайно, якщо ви мрієте про кар’єру економіста, юриста чи історика, то вам не обов’язково знати всі нюанси будови та принципу дії телевізора, комп’ютера, чи, скажімо синхрофазотрона. Але мати бодай елементарні уявлення про суть механічних, теплових, електромагнітних та інших явищ і про те, як ці явища застосовуються на практиці, зобов’язана кожна освічена людина. А  джерелом цих знань є  фізика.

  4.  Фізика, це та фундаментальна наука, яка є теоретичною основою всіх інших природничих наук.

Вивчаючи фізику, ви по суті вивчаєте і хімію, і біологію, і географію, і астрономію, і технічну механіку, і електротехніку, і взагалі все різноманіття тих наук, які називаються природничими. І навпаки – вивчаючи все різноманіття природничих  наук, ви фактично,  вивчаєте певні фрагменти головної науки про Природу – фізики. При цьому лише в фізиці, всі ці фрагменти стають єдиним цілим і отримують своє узагальнено філософське пояснення.  До речі, підкреслюючи фундаментально-філософське значення фізики, в часи Ньютона цю науку називали натуральною, тобто природничою, філософією.

  5.  Фізика, це не тільки фундаментальна наука, яка формує світогляд сучасної людини, яка навчає її логічно і творчо мислити, яка є основою науково-технічного прогресу і всіх природничих наук, а ще й наука надзвичайно цікава.

Коли  і як виник Всесвіт? Що було до того і що буде після? Як і чому виникло життя на Землі? Що з’явилося раніше “ яйце” чи “курка”? Чи одинакові ми у Всесвіті і чи варто вірити байкам про НЛО? Що таке світло і чому навколишній світ різнобарвний? Як народжуються, живуть і помирають зірки?  На ці та сотні і тисячі їм подібних запитань дає відповідь наука, яка називається фізикою. Але для того, щоб ці відповіді були зрозумілими і такими яким можна вірити, необхідно пройти певний, нелегкий шлях пізнання навколишнього світу. Адже це тільки  шарлатани від так званих “нетрадиційних наук”, пояснюють все і відразу. Біда лише в тому, що  за багатовікову історію людства, жодне із цих пояснень не виявилось правильним і таким, що дозволило б створити не те що автомобіль, телевізор чи комп’ютер, а бодай найпростіший гвіздок чи сірник. Тому, якщо ви прагнете стати освіченою людиною, то не поспішайте вірити різнобарвним астрологам, уфологам, магам, контактерам, віщунам, екстрасенсам та іншим традиційним та не традиційним шарлатанам, а вчіть фізику – і навколишній світ постане перед вами прекрасним, зрозумілим та прогнозованим.

Все вище сказане означає, що в незалежності від наших уподобань, фізика була, є і буде тією фундаментальною наукою, яка визначально формує освічену та творчу особистість. І, якщо ви дійсно  прагнете стати такою особистістю, то в незалежності від ваших планів на майбутнє, поставтесь до вивчення фізики з максимально можливою відповідальністю. При цьому я маю надію, що в процесі вивчення фізики, ви не лише отримаєте глибокі знання, а й щиро полюбите цю найвеличнішу і найпрекраснішу з наук.

 

                                                  РОЗДІЛ 0.     

                                       ВВЕДЕННЯ В ФІЗИКУ.

 

 §1. Фізика – наука про Природу.

 

     Слово “фізика” в перекладі з грецької означає “природа”. Фізика –  наука про Природу. Більш вичерпного і більш ємного визначення для  тієї сфери людської діяльності, яку прийнято називати фізикою, годі й шукати. Що ж означає слово “Природа”?

Перш за все потрібно зауважити, що в фізиці звичайні,  повсякденні слова, часто означають не зовсім те, а іноді і зовсім не те, що ми про них думаємо. Але оскільки ми вивчаємо фізику, то маємо розуміти ці слова так, як це прийнято в даній науці. Взагалі, проблематика термінології є надзвичайно важливою. Не буде перебільшенням сказати, що знати фізику, щонайменше на половину означає знати і розуміти ті слова, які в ній застосовуються, бачити за цими словами реальні об’єкти і події. Тому вивченню мови фізичної науки, ми будемо приділяти надзвичайно серйозну і повсякденну увагу. І почнемо це вивчення з найголовнішого і найбільш ємного поняття – “Природа”.

В науці Природа, це не тільки дерева, звірі та чисте повітря. Не тільки навколишні пейзажі і зіркове небо. Природа – це щось значно більше, аніж просто навколишній світ. Значно більше за те, що ми здатні бачити і відчувати. Це навіть більше, аніж просто Всесвіт. Природа , це і далекі, неосяжно великі галактики і неймовірно малі атоми. Це наша душа, наші думки і наші почуття. Це наше минуле, теперішнє і майбутнє. Природа, це все що існувало , існує і буде існувати взагалі. Дати точне і вичерпне визначення терміну “Природа” практично неможливо. Адже не можливо осягнути неосяжне. Напевно найбільш вдалим та гранично вичерпним є  наступне визначення. Природа – це безкінечний в своєму різноманітті та проявах Всесвіт, який представляє собою діалектичне поєднання матерії, руху, часу та простору, матеріального та духовного, минулого, теперішнього та майбутнього.

    Сучасна наука виходить з того, що Природа, це єдиний цілісний організм, в якому все взаємопов’язано і взаємообумовлено. Що цей організм працює за певними правилами, які називаються законами природи. Що ці закони не можливо змінити, але їх можна пізнати, а пізнавши – застосувати на практиці.

Людина, будучи частиною Природи, на основі аналізу тих подій, які в ній (Природі) відбуваються, на основі аналізу спеціальних експериментів, які певним чином моделюють ці події, створила науку, назва якої фізика. Іншими словами:

Фізика – це наука, яка представляє собою об’єктивне і точне відображення Природи в свідомості людини, викладене у вигляді  певної системи достовірних знань, які описують, пояснюють і прогнозують природні явища.

    Стисле відображення загальної структури Природи, загальної структури науки про Природу і тієї ролі, яку відіграє при цьому людина, можна представити у вигляді  наступної схеми

 

ПРИРОДА                                                           ФІЗИКА

·                                                                  наука про Природу                     

 

Всесвіт                                                               Механіка

 

Галактика                                                       Молекулярна фізика

·                                        дивиться

Зірка                                 аналізує                  Термодинаміка

·                                        досліджує

Планета                                                           Електродинаміка

 

Людина                         Людина                    Оптика

 

 Клітина                                                            Фізика  атома  і

·                                          На основі               атомного ядра

Молекула                           аналізу

·                                                та                      Теорія відносності

Атом                                 досліджень

·                                          створює                 Квантова механіка

Елементарні

частинки і поля                                                   Космологія

 

 

Мал.1 Фізика – це об’єктивне і точне відображення Природи, викладене у вигляді певної системи знань.

 

Але що конкретно вивчає сучасна фізика? Що є  предметом її  досліджень? Які задачі вона розв’язує?  Гранично стисло відповідаючи на ці запитання можна сказати наступне.

Фізика вивчає  загальні властивості фізичних об’єктів і фізичних явищ, закони які визначають ці властивості та ті теорії які ці властивості пояснюють.

Іншими словами, предметом (об’єктом ) досліджень та пояснень фізичної науки є фізичні об’єкти і фізичні явища.

     Фізичним об’єктом називають  будь-який реально існуючий об’єкт, який є предметом спостережень, досліджень та експериментів. Подивіться навколо себе і ви побачите величезне різноманіття великих і малих, твердих і рідких, живих і неживих одним словом різноманітних об’єктів, кожен з яких може стати предметом ваших спостережень, а отже є фізичним об’єктом. Більш того, навіть те, що ви ніколи не бачили і напевно ніколи не побачите, як-то атоми, елементарні частинки, поля, електромагнітні хвилі, або , скажімо Всесвіт у всій його цілісності, – все це фізичні об’єкти, тобто конкретні предмети вивчення фізики.

     Фізичним явищем  називають будь-яку подію, що відбувається з фізичним об’єктом, будь-то механічне переміщення тіла, зміна його кольору, форми, температури, твердості, пружності, електропровідності, чи чогось іншого.

          Потрібно зауважити, що поділ єдиного цілісного організму який називається Природою на те, що прийнято називати фізичними об’єктами і фізичними явищами, є досить умовним. Скажімо, блискавка – це фізичний об’єкт чи фізичне явище? З одного боку, блискавка – це фізичний об’єкт, який може стати предметом спостережень, досліджень та експериментів. З іншого боку, блискавка – це фізичне явище, тобто певна подія яка відбувається з фізичним об’єктом який називається блискавкою.

Загалом, будь-який фізичний об’єкт є певним згустком тих фізичних процесів (явищ) які в ньому відбуваються. І навпаки, будь-яке фізичне явище нерозривно пов’язане з відповідним фізичним об’єктом. По суті, все різноманіття фізичних об’єктів і фізичних явищ є різними і в той же час взаємопов’язаними проявами тієї цілісної системи яка називається Природою.

Задача фізики полягає в тому, щоб кількісно описати і пояснити властивості фізичних об’єктів, описати і пояснити події які з ними відбуваються, розкрити існуючі між ними взаємозв’язки і на основі цих знань побудувати узагальнюючу картину Природи.

    На поставлені запитання ми відповіли гранично коротко, маючи на увазі , що глибинний зміст вище наведених визначень і пояснень буде поступово розкриватись в процесі вивчення фізики і пізнання навколишнього світу.

 

Словник фізичних термінів.

         Природа – це безкінечний в своєму різноманітті та проявах Всесвіт, який представляє собою діалектичне поєднання матерії, руху, часу та простору, матеріального та духовного, минулого, теперішнього та майбутнього.

        Фізика  – це наука про Природу, яка представляє собою об’єктивне і точне відображення Природи в свідомості людини, викладене у вигляді системи достовірних знань, які описують, пояснюють і прогнозують природні явища. Фізика вивчає загальні властивості неживої Природи і закони , які визначають ці властивості. Предметом її досліджень є фізичні об’єкти і фізичні явища.

    Фізичний об’єкт – це реально існуючий об’єкт, який є предметом наукових спостережень, досліджень і експериментів.

    Фізичним явищем  – називають будь-яку подію, що відбувається з фізичним об’єктом.

 

Контрольні запитанні.  

1.  Що в науці називають Природою?  Чому   в фізиці слово Природа пишуть з великої літери?

2.  Який взаємозв’язок між Природою, людиною та фізикою?

3.  Як ви розумієте твердження : “фізика представляє собою об’єктивне і точне відображення Природи в свідомості людини, викладене у вигляді системи достовірних знань ?”

4.  Наведіть десять прикладів фізичних об’єктів.

5.  Наведіть десять прикладів фізичних явищ.

6.  Якими із вище названих слів позначають фізичні об’єкти, а якими фізичні явища? : м’яч, блискавка, річка, камінь, вітер, полум’я, грім, повітря, горіння, дерево, звук, атом, Сонце, електродвигун, електричний струм, пароутворення, плавлення, книга, вовк, світло, веселка.

7.  Як ви думаєте, які з вище названих слів можуть позначати як фізичне явище так і фізичний об’єкт?

 

 §2. Про фізичні закони та фізичні теорії.

Вивчаючи фізику ми неминуче будемо говорити про фізичні закони та фізичні теорії. З’ясуванню суті цих важливих елементів науки   і присвячено даний параграф.

Фізичним законом (законом) називають стисле відображення того реального, кількісного, загального , суттєвого, причинно-наслідкового зв’язку, який існує між певними проявами Природи (між фізичними об’єктами та явищами , між різними властивостями  одного і того ж об’єкту, між різними проявами одного і того ж явища, тощо).

                Аналізуючи дане визначення можна сказати наступне.

1.  Закон є відображення того реального зв’язку який існує між певними проявами Природи. Це означає , що між об’єктами та явищами  Природи існують певні зв’язки. Вони існують незалежно від того, що ми про них думаємо; незалежно від того подобається нам це чи не подобається; незалежно від того знаємо ми про ці зв’язки чи не знаємо, тобто – існують об’єктивно. Досліджуючи відповідні явища та об’єкти людина з’ясовує суть тих зв’язків , які об’єктивно існують між ними і узагальнюючі результати цих досліджень формулює у вигляді відповідного закону. Скажімо, досліджуючи Природу , Ньютон з’ясував : під дією зовнішньої сили  F тіло масою m отримує прискорення  а, величина якого прямо пропорційна діючій на тіло силі і обернено пропорційна його масі, тобто   а =F/m   (другий закон Ньютона)

       Потрібно підкреслити, що вчені не придумують закони. Вони не можуть нав’язати Природі  правила  поведінки. Вчені лише досліджують Природу і результати цих досліджень записують у вигляді відповідних законів.

  2.  Закон є відображенням того кількісного зв’язку, який існує між певними проявами  Природи. Це означає, що фізичні закони формулюють на основі точних кількісних досліджень, тобто таких досліджень, які передбачають застосування точних вимірювальних приладів і проведення відповідних вимірювань. Результатом подібних досліджень є факт того, що фізичні закони не просто відображають ті зв’язки що існують між певними проявами Природи, а чітко регламентують ті кількісні співвідношення які характеризують ці зв’язки.

Наприклад, в другому законі Ньютона не просто говориться про те, що величина того прискорення яке отримує тіло під дією зовнішньої сили, залежить від цієї сили та маси тіла. В цьому законі стверджується: величина того прискорення а яке отримує тіло масою m під дією зовнішньої сили  F , прямо пропорційна  величині діючої сили і обернено пропорційна масі тіла. Іншими словами, що між параметрами  a, F, m, існує точне кількісне співвідношення.  а = F/m   

  3.  Закон є відображенням того загального зв’язку який існує між певними проявами Природи. Це означає, що дія фізичного закону є загальною, тобто такою яка розповсюджується на всі без винятку об’єкти, параметри яких задовольняють вимогам відповідного закону. Наприклад, якщо в законі стверджується, що під дією зовнішньої сили F тіло масою m отримує прискорення а, величина якого визначається за формулою а =F/m , то це означає, що будь-який цілісний, обособлений об’єкт (тіло), будь-то атом , камінь чи планета під дією зовнішньої сили неминуче отримає відповідне прискорення.

Але потрібно мати на увазі, що практично всі відомі фізичні закони мають певні чітко визначені межі свої достовірності. Скажімо, дія другого закону Ньютона розповсюджується лише на ті об’єкти, які можна назвати цілісними , обособленими тілами і лише на ті сили, які можна назвати зовнішніми.

  4.  Закон є відображенням того суттєвого зв’язку який існує між певними проявами Природи. Це означає, що характеризуючи той зв’язок, який існує між певними проявами Природи, в законі відображають лише суттєво важливі аспекти цього зв’язку. Наприклад, величина того прискорення, яке отримує тіло під дією зовнішньої сили, суттєво залежить від маси тіла та величини діючої на нього сили. При цьому, ані природа діючої  на тіло сили , ані параметри самого тіла,  його розміри, хімічний склад, густина, колір, температура, електропровідність, тощо, не мають суттєвого значення.

  5.  Закон є відображенням того причинно-наслідкового зв’язку який існує між певними проявами Природи. Це означає, що відображаючи той зв’язок який існує між певними проявами Природи, потрібно вказувати на те, що в даному зв’язку є причиною (незалежною величиною), а що наслідком (залежною величиною). Наприклад, в другому законі Ньютона вказується, що причиною прискореного руху тіла є діюча  на нього зовнішня сила. А це означає, що другий закон Ньютона потрібно записувати у вигляді     а =F/m, а не у вигляді    F = ma ,  чи  m = F/a .

Втім, питання про правильне математичне формулювання того чи іншого закону є досить складним. Відображенням цієї складності є той факт, що в різних наукових джерелах один і той же закон часто записують по різному. Та якби там не було, а правильне математичне формулювання будь-якого закону, передбачає відображення тих причинно-наслідкових зв’язків які реально існують в Природі.

Зазвичай, закон відповідає на питання “як ?” Як взаємопов’язані  ті чи інші об’єкти? Як змінюються параметри об’єкту в процесі тих чи інших подій ? Тощо. Основне ж питання наукового пізнання “ чому?” Чому певні події відбуваються так, а не інакше? Чому в процесі тих чи інших подій  параметри об’єктів певним чином змінюються? Яким чином об’єкти взаємодіють між собою? Тощо.  Відповіді на ці та їм подібні запитання дає фізична теорія.

Фізичною теорією (теорією) називають систему достовірних знань, яка пояснює певну групу споріднених явищ та дозволяє передбачити існування нових , до появи теорій невідомих  явищ та об’єктів.

      Аналізуючи дане  визначення можна сказати наступне.

  1.  Теорія – це система знань  яка пояснює певну групу споріднених явищ. Це означає що теорія, на основі невеликої кількості базових тверджень системно пояснює широке коло споріднених явищ. Наприклад, основу молекулярно-кінетичної теорії складають три простих твердження:

1) всі тіла складаються з молекул;

2) молекули безперервно і безладно рухаються;

3)  на невеликих відстанях молекули взаємодіють між собою.

Виходячи з цих тверджень, молекулярно-кінетична теорія пояснює    широке різноманіття властивостей твердих, рідких та газоподібних тіл. Пояснює велике різноманіття теплових процесів, як-то  нагрівання і охолодження , плавлення і кристалізація, пароутворення і конденсація. Пояснює фізичну суть дифузії, броунівського руху, осмосу, тощо. Іншими словами, пояснює все те , що є предметом вивчення цілого розділу фізики, який називається молекулярною фізикою.

Не буде перебільшенням сказати, що процес вивчення фізики є свідомим та ефективним лише  тому, що основою цього процесу є певна система знань, яку прийнято називати теорією. Без теорії фізична наука неминуче перетворилась би на купу обособлених експериментальних фактів, розібратися в різноманітті яких було б практично не можливо.  І не тому, що ці факти є надто складними, а тому, що їх надто багато. Виходячи з цього, ми будемо вивчати фізику не як певну сукупність окремих фактів, а як науку, в якій теорія займає провідне місце.

  2.  Теорія – це система достовірних знань. Говорячи про достовірність наукової теорії, мають на увазі виконання наступної сукупності вимог :

1) ті базові твердження які лежать в основі теорії є такими що надійно та безумовно, експериментально підтвердженні;

2) нема жодного експериментально підтвердженого факту який би суперечив даній теорії;

3) значна кількість передбачень даної теорії мають достовірне експериментальне підтвердження.

Потрібно зауважити, що ту наукову (фізичну ) теорію, передбачення якої ще не отримали  експериментального підтвердження, прийнято називати науковою гіпотезою.

  3.  Теорія – це така система знань, яка не лише пояснює відомі явища, а й дозволяє передбачити існування нових, до появи теорій невідомих, явищ та об’єктів. Наприклад, до появи теорії електромагнітного поля (теорії Максвелла) ніхто не здогадувався про те, що в Природі існують електромагнітні хвилі, що однією з різновидностей цих  хвиль є видиме світло, що відомі закони геометричної оптики тісно пов’язані з законами електромагнетизму, тощо. Ці та їм подібні об’єкти і явища були відкриті завдяки точним кількісним передбаченням теорії Максвела.

Прогнозуючі властивості теорії важко переоцінити. Вони не лише дозволяють відкрити нові об’єкти та явища, а й значно розширюють межі застосування базової наукової теорії. Скажімо, створюючи теорію електромагнітного поля, Максвел не підозрював, що ця теорія дозволить пояснити не лише відомі електричні, магнітні і електромагнітні явища, а й широкий спектр оптичних, хімічних, механічних та інших явищ, які до того ніколи не вважались електромагнітними.

Про важливість прогнозуючих властивостей теорії говорить ще й те, що теорія, яка не вміє робити точних передбачень, принципово не може стати науковою теорією. Адже в науці єдиним способом перевірки правильності теорії, є  перевірка достовірності її передбачень. При цьому, якщо бодай одне із цих передбачень не справджується, то це означає що теорія  неправильна. Втім ,  про те, як в науці відрізняють правильні теорії від неправильних, ми поговоримо в наступному параграфі.

  4.  Теорія – це система знань, яка пояснює певну групу споріднених явищ. Це означає, що будь-яка із до цих пір відомих теорій має певні межі своєї достовірності, тобто пояснює не все різноманіття відомих фізичних явищ, а лише певну їх частину.

За великим рахунком в сучасній фізиці є дві базові теорії на основі яких можна пояснити практично все різноманіття відомих фізичних явищ. Цими теоріями є квантова механіка і теорія відносності. Але фізична і математична суть цих теорій стає зрозумілою лише після того, як пройдено певний еволюційний шлях інтелектуального розвитку і з’ясована суть тих, менш загальних теорій, які були історичними попередниками теорії відносності і квантової механіки. А це означає, що в межах загальноосвітньої школи, фізику вивчають і, напевно завжди будуть вивчати, як сукупність окремих розділів, в кожному з яких  пояснюється певна група споріднених явищ. До числа таких розділів відносяться :

–  ньютонівська механіка;

–  молекулярна фізика;

–  термодинаміка;

–  електродинаміка;

–  оптика;

–  теорія відносності;

–  фізика атома і атомного ядра;

–  квантова механіка;

–  космологія.

Говорячи про фізичні теорії необхідно зауважити, що кожна нова  теорія є еволюційним продовженням попередньої. Наприклад, коли на початку двадцятого століття на зміну ньютонівській механіці прийшла теорія відносності, то вона не “відмінила” попередню теорію, а стала її діалектичним продовженням, її якісно новим станом. Характеризуючи процес розвитку науки, видатний французький вчений Анрі Пуанкаре (1854-1912) писав: ”Розвиток науки потрібно порівнювати не з перебудовою міста, де старі будинки безжально руйнуються і на їх місці з’являються нові, а з еволюційним розвитком зоологічних видів”.

 

Словник фізичних термінів.

      Фізичний закон (закон) – це стисле кількісне відображення тих зв’язків які реально існують між об’єктами і явищами Природи.

       Фізична теорія  (теорія)  – це  система достовірних знань, яка описує, пояснює і прогнозує певну, достатньо широку групу явищ.

       Фізична гіпотеза (гіпотеза) – це система науково обгрунтованих, але експериментально не перевірених знань, яка претендує на роль фізичної теорії.

 

Контрольні   запитання.

1.  Що називають фізичним законом ?

2.  В чому полягає об’єктивність законів ?

3.  Що означає: закон є відображенням того кількісного зв’язку, що існує між певними проявами Природи ?

4.  Що називають фізичною теорією?

5.  Що означає: теорія – це система знань?

6.  Що означає : теорія – це система достовірних знань ?

7.  Чи може гіпотеза стати теорією, якщо вона не вміє робити точних передбачень?     Чому ?

 

§3. Про фізичний метод досліджень, або про те, як відрізняють         правильні теорії від неправильних.

 

Напевно жоден вчений минулого не мав такого тривалого і глибокого впливу на розвиток науки, як давньогрецький філософ Аристотель(385-322 р. до н.е.).  Достатньо сказати, що на протязі майже двох тисячоліть, погляди Аристотеля на Природу вважались за істину в останній інстанції.

Аристотель безумовно був видатним вченим. Він не лише зібрав та творчо опрацював величезну суму знань, а й розробив інструмент, який дозволяв отримувати ці знання.  Сьогодні цей інструмент називають індукційним методом досліджень.

       Індукційний метод досліджень – це такий метод отримання теоретичних знань, при якому на базі певних припущень і на основі логічно очевидних міркувань робиться певний узагальнюючий висновок.

      Класичним прикладом успішного застосування індукційного методу на практиці є геометрія. В ній на базі очевидно правильних тверджень, які називаються аксіомами, і на основі індукційного методу, пояснюється  все різноманіття геометричних властивостей тіл.

Сама по собі індукційна система отримання теоретичних знань, була видатним відкриттям. Але вона мала і має один недолік, – зроблені на основі цієї системи висновки, будуть правильними лише в тому випадку, якщо базові припущення є правильними. А ось тут-то і була “ахілесова п’ята” в системі знань Аристотеля. Аристотель створив багато теорій  (точніше багато гіпотез), але майже ніколи не перевіряв їх на практиці. І ось результат, – майже всі його теорії виявились хибними.

Сьогодні важко сказати, в результаті якої послідовності міркувань, Аристотель прийшов до висновку, що важкі тіла повинні падати швидше за легкі. Можливо, він думав: – “хіба камінь падає швидше за пір’їну не тому що він важчий?” Та як ти там не було, але замість того. Щоб спостерігати за падінням важких і легких камінців, Аристотель почав доводити, що швидкість падіння тіла залежить від його маси, і що тому двох кілограмова гиря повинна падати швидше за  кілограмову.

В це важко повірити, але на протязі вісімнадцяти століть!!!, жодна людина не спростувала це очевидно не правильне твердження. Лише на при кінці шістнадцятого століття, молодий італійський вчений Галілео Галілей (1564-1642)  кардинально змінив хід історії. Саме Галілей заклав основи сучасної науки, яка за неповні чотириста років докорінно змінила обличчя людської цивілізації.

Проводячи досліди, Галілей з’ясував, що легка мушкетна куля і важке гарматне ядро падають однаково швидко. Це означало, що експериментальні факти явно суперечили теорії Аристотеля, і що тому ця теорія є хибною. Сьогодні правильність такого висновку є очевидною. Але те, що здається очевидним сьогодні, було зовсім не очевидним 400 років тому. Неочевидним по-перше тому, що в тогочасній науці правильним вважалось лише те, що було логічно доведеним. А по-друге, важкі ядра, кулі і камінці дійсно падають швидше за легкі пір’їнки, пушинки та сніжинки. А це означало, що деякі експериментальні факти підтверджували теорію Аристотеля, а деякі – суперечили їй.

Оскільки в часи Галілея вчені довіряли логіці індукційного методу більше, аніж власним очам, то Галілею потрібно було не просто навести експериментальні докази того, що теорія Аристотеля хибна, а й довести цю хибність індукційним методом. Молодий вчений блискуче виконав і це завдання. Переконливість його логічних міркувань була очевидною. Дійсно. В теорії Аристотеля стверджується, що двох кілограмова гиря падає швидше за кілограмову. А що коли ці гирі  зв’язати? Тоді з одного боку, ця трьох кілограмова система повинна падати швидше за  двокілограмову гирю, а з іншого – повільніше за неї, адже легка гиря неминуче повинна гальмувати рух  важкої. Таким чином, теорія Аристотеля дає взаємовиключаючі передбачення. А це означає, що вона логічно суперечлива і тому неправильна. Натомість твердження про те, що важкі і легкі предмети падають однаково швидко є логічно не суперечливим і індукційно правильним. Адже, якщо одно і двох кілограмом гирі  падають однаково швидко, то з такою ж швидкістю має падати і їх трьох кілограмова система.

Таким чином, спираючись на індукційний метод, Галілей довів, що гіпотеза Аристотеля логічно суперечлива і тому індукційно неправильна, а його власна гіпотеза – логічно не суперечлива і індукційно правильна.

Якщо ж говорити про той безперечний факт, що важкий камінь падає швидше за легку пір’їну, то Галілей абсолютно обгрунтовано стверджував, – це відбувається тому, що навколишнє повітря гальмує рух об’ємної і легкої пір’їни значно сильніше, аніж важкого і густого каменя.  Переконатись в достовірності такого твердження не важко. Для  цього потрібно взяти простий прилад, який називається “вакуумна трубка” (мал.2). Видаливши із цієї трубки повітря ви неодмінно з’ясуєте: в безповітряному просторі легка пір’їнка і важка свинцева куля, падають однаково швидко.

Мал 2. В безповітряному просторі (вакуумі) легка пір’їнка і важка свинцева куля падають однаково швидко.

Геніальність Галілея полягала не лише в тому, що він першим почав експериментально перевіряти сумнівні теорії, а й в тому, що саме він запропонував і почав застосовувати на практиці такий метод дослідження Природи, який дозволяв отримувати гарантовано достовірні результати. Цей метод називають фізичним методом досліджень.

Фізичний метод досліджень – це такий метод отримання достовірних знань, прим якому вибір правильних теорій здійснюється на основі експериментальної перевірки тих передбачень, які випливають із них.

     Це означає, що для перевірки правильності тієї чи іншої теорії (точніше гіпотези), необхідно на основі цієї теорії та індукційного методу, зробити логічно обгрунтовані передбачення і перевірити їх на практиці. При цьому, якщо передбачення справджуються, значить теорія правильна, а якщо не справджуються – не правильна.

Сьогодні кожен вчений знає, якщо результати експериментів не співпадають з передбаченнями теорії, значить теорія хибна. При цьому немає значення, хто автор теорії. Наскільки він відомий, розумний і авторитетний. Немає значення, подобається вам ця теорія, чи не подобається. Розумієте ви її, чи не розумієте. Якщо результати експериментів не співпадають з передбаченнями теорії, значить теорія  не правильна. От і все.

Звичайно, експерименти мають бути достовірними і такими, що враховують всі суттєві обставини. Адже, якщо, наприклад, на основі того факту, що важкий камінь падає швидше за легку пір’їну, ви почнете заперечувати те, що всі тіла падають однаково швидко, то в своїх запереченнях ви будете спиратись на результати неправильно поставленого експерименту. Неправильного в тому сенсі, що при його проведенні ви не врахували суттєву обставину – гальмуючу дію навколишнього повітря.

Таким чином, процес наукового пізнання Природи, можна представити у вигляді  наступної послідовності подій :

1.  На основі спостережень та експериментів, встановлюється факт існування того явища (групи явищ) яке потребує наукового пояснення.

2.  На основі логічних (теоретичних) міркувань створюється наукова гіпотеза , яка пояснює це явище.

3.  На базі гіпотези формуються точні теоретичні передбачення, які є логічними наслідками цієї гіпотези.

4.  На основі результатів експериментальної перевірки зроблених передбачень, робиться висновок про правильність чи неправильність даної гіпотези. При цьому :

а) якщо передбачення збуваються – значить гіпотеза правильна і тому переходить до розряду наукових теорій;

б) якщо передбачення не збуваються – значить гіпотеза неправильна і від неї потрібно відмовитись, а натомість висунути іншу гіпотезу.

Ось так, з часів Галілея і крутиться колесо пізнання:

експеримент –  дає привід для роздумів,  розум – висуває логічно обгрунтовані версії можливих теоретичних пояснень відповідних експериментальних фактів, експеримент є єдиним об’єктивним суддею в утвердженні істини. Іншими словами, процес наукового пізнання Природи можна представити у вигляді формули :

     експеримент + теорія + експеримент = істина.

 

Словник фізичних термінів.

       Індуктивний метод досліджень – це такий метод отримання теоретичних знань, при якому на базі певних припущень і на основі логічно очевидних міркувань робиться певний узагальнюючий висновок. Такий метод дозволяє отримувати правильні теоретичні висновки лише в тому випадку, якщо базові припущення є правильними.

      Фізичний метод досліджень – це такий метод отримання достовірних знань, при якому вибір правильних теорій здійснюється на основі експериментальної перевірки тих передбачень, які випливають із них.  При цьому, якщо результати експериментів не співпадають з передбаченнями теорії, значить теорія неправильна, а якщо співпадають – правильна.

 

Контрольні запитання.

1.  В чому суть індукційного методу досліджень?

2.  Який недолік має індукційний метод?

3.  Чому більшість теорій Аристотеля виявились хибними?

4.  В чому основна заслуга Галілея перед наукою і людством ?

5.  В чому суть фізичного методу досліджень ?

6.  Чому камінь падає швидше за пір’їну ?

 

§4. Про фізичні величини та їх вимірювання. Про одиниці

                            вимірювання і системи одиниць.

 

Фізика – наука точна. Це означає,  що в ній мало описати, або навіть пояснити те чи інше явище словами. В фізиці, кожному об’єкту і кожному явищу потрібно дати точну кількісну характеристику. Наприклад, не можна вважати, що сформулювавши висновок: “При нагріванні тіла розширяються”, – ви тим самим науково описали явище теплового розширення тіл. Адже таке описання передбачає точні відповіді на цілу низку конкретних запитань:

1) чи залежить ступінь розширення тіла від ступені його нагрівання?;

2) чи залежить ступінь розширення тіла від способу його нагрівання?;

3) чи однаково розширюються тіла виготовлені із різних матеріалів?;

4) чи однаково розширюються тіла в різних температурних інтервалах?;

5) чи залежить ступінь розширення тіла від тривалості нагрівання?;   тощо.

Відповіді на ці, та їм подібні запитання, потребують точної кількісної оцінки довжини тіла, його об’єму, ступеню нагрітості, ступеню розширення, тривалості подій, тощо. Таку оцінку дають за допомогою спеціальних числових характеристик, які називаються  фізичними величинами.

Фізична величина – це кількісна характеристика того  чи іншого параметру об’єкту або явища, яка має числове вираження отримане шляхом вимірювання.

Довжина, площа, об’єм, маса, вага, час, сила, густина, швидкість, прискорення, пройдений шлях, переміщення, енергія, робота, потужність, температура, сила струму, електрична напруга, електричний опір, електрична ємкість, – ось лише деякі приклади фізичних величин. Характеризуючи різноманіття таких величин достатньо сказати, що лише в механіці ми будемо вивчати більше п’ятдесяти різних фізичних величин та їх різновидностей. Наприклад, ми будемо вивчати чотири різновидності довжини ( координата, пройдений шлях, переміщення, абсолютна деформація), десять різновидностей сили, п’ять різновидностей енергії, тощо.

Визначаючи будь-яку фізичну величину, потрібно сказати наступне:

–  Вказати , який параметр об’єкту або явища вона характеризує.

–  Вказати, якою буквою вона позначається.

–  Записати визначальне рівняння величини, тобто формулу, яка відображає фізичну суть цієї величини та її зв’язок з іншими величинами.

–  Вказати одиницю вимірювання даної величини.

Наприклад :

         Час  –  це  фізична величина , яка характеризує тривалість подій (явищ, процесів, рухів, тощо) і яка дорівнює цій тривалості.

Позначається :  t

Визначальне рівняння: нема,  (нема тому, що час – це базова фізична  величина, одиниця вимірювання якої за домовленістю обрана        в якості основної )

Одиниця вимірювання : [t]=c , секунда

         Сила –це фізична величина , яка є мірою силової дії одного тіла на інше   ( мірою взаємодії фізичних об’єктів )  і яка дорівнює добутку маси тіла на величину того прискорення яке воно отримує під дією даної сили.

Позначається : F

Визначальне рівняння : F = ma

Одиниця вимірювання : [F]=H , ньютон

         Густина – це фізична величина, яка характеризує кількість речовини в одиниці її об’єму, і яка дорівнює цій кількості.

Позначається :  ρ

Визначальне рівняння: ρ=m/V

Одиниця вимірювання : [ρ]=кг/м3 ,    (кілограм на метр кубічний)

Числове значення фізичної величини визначають шляхом її вимірювання.

Вимірювання – це такий процес, результатом якого є числове значення тієї фізичної величини яку вимірюють. Вимірювання бувають  прямі і опосередковані (непрямі). Вимірювання, безпосереднім результатом якого є числове значення тієї величини, яку вимірюють, називають прямим вимірюванням. Якщо довжину тіла вимірюють лінійкою, діаметр деталі – штангенциркулем, тривалість подій – секундоміром, температуру – термометром, напругу – вольтметром, силу струму – амперметром, то це пряме вимірювання відповідної величини.

Дуже часто пряме вимірювання є неефективним, або просто неможливим, наприклад, у зв’язку з відсутністю відповідного вимірювального приладу. В такій ситуації застосовують опосередковані (непрямі) методи вимірювання. Суть цих методів полягає в тому, що ми фактично вимірюємо не ту величину, яка нас цікавить, а іншу, з нею пов’язану величину. А потім за відповідною формулою розрахуємо значення потрібної величини. Наприклад, якщо ми хочемо виміряти площу круга, то вимірюємо його діаметр d (або радіус r), а площу визначаємо за формулою:    S=πd2/4=πr2 . Якщо хочемо виміряти об’єм кімнати,  то виміряємо її  довжину  а, ширину в  і висоту  h  , а об’єм визначаємо за формулою:  V = a∙ b∙ h . Якщо хочемо виміряти густину речовини, то виміряємо її масу m і об’єм  V , а густину визначаємо за формулою: ρ=m/V .

Вимірювання при якому фактично вимірюється не потрібна величина, а інша, з нею пов’язана величина, а значення потрібної  фізичної величини визначається шляхом певних розрахунків називають  опосередкованим (непрямим ) вимірюванням.

Якщо ви думаєте, що непряме вимірювання гірше , або менш точне за пряме, то спробуйте виміряти площу круга (мал.3)  прямим способом, тобто шляхом підрахунку кількості квадратних сантиметрів в цьому крузі.  Порівняйте отриманий результат з результатом непрямого вимірювання, тобто вимірювання за формулою S=πd2/4.   Як ви думаєте, який з цих результатів буде  більш точним?

 Мал.3. Як ви думаєте, який спосіб вимірювання  площі круга    (прямий чи непрямий) є більш точним і ефективним?

Результат  вимірювання записують у вигляді числа і назви (умовного позначення ) відповідної одиниці вимірювання: 5м; 24см; 8кг; 28Н; 0,5А; 25см2; 800кг/м3; 44Дж і т.д.

Одиниця вимірювання – це таке значення відповідної фізичної величини, яке за домовленістю прийнято за одиницю її вимірювання.

      Одиниці вимірювання поділяються на основні і похідні.

      Основними називають такі одиниці вимірювання, фактична величина яких обирається за домовленістю і які за домовленістю прийнято вважати основними. Наприклад, в сучасній науці загальноприйнятою є так звана Інтернаціональна (Міжнародна) система  одиниць (скорочено СІ). Ця система  побудована на семи основних одиницях:

–  Одиниця довжини – метр                  [ι ] = м;

–  Одиниці маси – кілограм                    [m] =  кг;

–  Одиниця часу – секунда                      [t ] = c;

–  Одиниця температури – кельвін      [T]= K

–  Одиниця сили струму – ампер           [ I] =A;

–  Одиниця сили світла – кандела         [ ј ]= кд;

–  Одинця кількості речовини – моль  [ ν ] = моль.

Фактичні величини цих семи одиниць визначались за домовленістю. Це означає, що на відповідному міжнародному форумі, після відповідної підготовки і відповідного обговорення, вчені домовились, що довжини об’єктів вони будуть  вимірювати в метрах,  їх маси – в кілограмах, тривалість подій  – в секундах і т.д., і що фактичні величини відповідних одиниць  будуть такими – то. Втім, про те як обирались основні одиниці вимірювання і чому  вони дорівнюють, ми поговоримо в наступному параграфі. Наразі ж, просто констатуємо той факт, що фактична величина кожної основної одиниці вимірювання обиралась за домовленістю вчених і що вона є такою, якою є за цією домовленістю.

Основні одиниці вимірювання є тими базовими одиницями, на основі яких визначаються величини усіх інших одиниць. Ці інші одиниці називаються похідними. Одиниці вимірювання, величина яких визначається за визначальними рівняннями відповідних фізичних величин і відповідним чином виражається через основні одиниці, називаються похідними.  Наприклад:

 

    Фізична величина   Визначальне рівняння   Одиниця вимірювання
         Площа               S=ℓ2    [S]=м2
         Об’єм               V=ℓ3    [V]=м3
         Густина               ρ=m/V    [ρ]=кг/м3
         Швидкість               v=ℓ/t    [v]=м/с
         Сила               F=ma    [F]=кг∙м/с2
         Тиск               p=F/S    [p]=Н/м2=Па
         Робота               A=Fℓ    [A]=Н∙м=Дж

 

Похідні одиниці вимірювання можуть мати свою окрему назву, або не мати її. Наприклад, одиниця вимірювання густини окремої назви немає і називається

“кілограм на метр кубічний”:  ρ=m/V ;  [ρ]=кг/м3. А одиниця вимірювання сили, має окрему назву – “ньютон” :  F = ma  ;   [F] =кг∙м/с2 = Н

Якщо числове значення фізичної величини занадто сильно відрізняється від її базової одинці (базової основної чи базової похідної), то допускають застосування  десятично кратних одиниць. Наприклад, в СІ базовою одиницею довжини є метр. При цьому допускається застосування  десятично кратних метру одиниць : кілометр(км); сантиметр (см); міліметр(мм); мікрометр (мкм) і т.д.

Для позначення десятично кратних одиниць, застосовують загально прийняті приставки, перелік яких наведено в таблиці 1.

 

Таблиця 1

тера   Т                    1000 000 000 000 = 1012 трильйон
гига   Г                        1 000 000 000   = 109 мільярд
мега  М                               1 000 000   = 106 мільйон
кіло  К                                      1 000   = 103 тисяча
гекто  Г                                         100   = 102 сто
дека  Д                                            10  = 101 десять
деци  д                                            0,1 = 10-1 одна десята
санти  с                                          0, 01= 10-2 одна сота
мілі  м                                         0,001= 10-3 одна тисячна
мікро мк                                 0,000001  = 10-6 одна мільйонна
нано н                          0,000 000 001 = 10-9 одна мільярдна
піко п                     0,000 000 000 001=10-12 одна трильйонна

         

        Крім цього, іноді допускається застосування деяких позасистемних одиниць вимірювання. Наприклад, маси атомів, молекул та елементарних частинок, часто вимірюються не в кілограмах, а в атомних одиницях маси (1а.о.м = 1,66 ∙ 10-27 кг), а їх енергію, оцінюють не в джоулях, а в електрон-вольтах (1 еВ = 1,6 ∙ 10-19Дж).

 

Словник фізичних термінів.

          Фізична величина –  це кількісна характеристика певного параметру об’єкту або явища, яка має числове вираження отримане шляхом вимірювання.

         Визначальне рівняння фізичної величини – це формула , яка відображає фізичну суть цієї фізичної величини  та її визначальний зв’язок з іншими величинами.

         Вимірювання – це такий процес, результатом якого є числове значення тієї фізичної величини яку вимірюють.

         Пряме вимірювання – це  таке вимірювання, безпосереднім результатом якого є числове значення тієї величини яку вимірюють.

         Опосередковане (непряме) вимірювання – це таке вимірювання, при якому значення потрібної фізичної величини визначають шляхом певних розрахунків, які проводяться на базі результатів прямих вимірювань інших величин.

         Одиниця вимірювання – це таке значення відповідної фізичної величини, яке за домовленістю прийнято за одиницю її вимірювання.

         Основними одиницями вимірювання  називають такі одиниці вимірювання, фактична величина яких обирається за домовленістю і які за домовленістю прийнято вважати основними.

         Похідними одиницями вимірювання називають такі одиниці вимірювання, величина яких визначається  за визначальним рівнянням відповідної фізичної величини  і відповідним  чином виражається через основні одиниці.

 

Контрольні запитання.

1.  Що називають фізичною величиною ?

2.  Що потрібно сказати, визначаючи ту чи іншу фізичну величини?

3.  Що називають визначальним рівнянням фізичної величини ?

4.  Що називають вимірюванням і які вони бувають ?

5.  Як ви думаєте, масу Землі визначають прямим чи опосередкованим вимірюванням ?

6.  Чи являються непрямі вимірювання “гіршими”   за прямі?

7.  Які бувають одиниці вимірювання і чим вони відрізняються ?

8.  Вкажіть які із нижче наведених термінів позначають: а) фізичні об’єкти,

б) фізичні явища, в) фізичні величини, г) одиниці вимірювання фізичних величин: електричний струм, сила струму, амперметр, ампер, швидкість, механічний рух, спідометр, метр за секунду, плавлення, температура, термометр, градус Цельсія, камінь, густина, об’єм, маса, кілограм, горіння, двигун внутрішнього згорання, коефіцієнт корисної дії?

 

§5. З історії міжнародної системи одиниць.

 

Був час, коли в різних державах, в різних містах і навіть на різних базарах, були різні одиниці вимірювань. Наприклад , чим тільки не  міряли довжину : кроками, ліктями, аршинами, саженями, дюймами, футами, ярдами, п’ядями, вершками, трубками, милями,  тощо.(мал.4) При цьому, в різних містах, на різних базарах і в різних торгівців, були свої кроки, свої аршини, свої дюйми, фути, сажені, п’яді і т.д.

Не менш різноманітними були і одиниці вимірювання маси : доля, золотник, фунт, лот, пуд, берковець, слег, фунт торгівельний, фунт аптекарський, фунт російський, унція, драхма, скрупул, гран, карат, гривня, – ось далеко неповний перелік таких одиниць.

Мал.4. Деякі одиниці вимірювання довжини минулого.

Недоліки подібного стану речей очевидні. Тому люди з прадавніх часів задумувались над тим, як узгодити , або, якщо хочете, стандартизувати різні одиниці вимірювань. Ідея створення системи взаємопов’язаний одиниць виникла ще за 3000 років до нашої ери в стародавньому Вавілоні. Суть цієї ідеї полягала в тому, що взявши за базову одиницю вимірювань,  одиницю довжини, інші одиниці певним чином визначали через неї. Наприклад, одиниця площі – це квадрат, сторона якого дорівнює одиниці довжини. Одиниця об’єму – куб, ребро якого дорівнює одиниці довжини. Одиниця маси – маса води налитої в куб одиничного об’єму.

Сучасна реалізація цієї ідеї була здійснена лише в кінці 18-го століття у Франції. В основу, запропонованої французькими вченими, системи одиниць, було покладено дві базові одиниці : метр (“метр” від грецького metros –міра)  і кілограм ( “кілограм” від французького kilo –  тисяча і  grame – дрібна міра маси).

За задумом вчених, одиниця довжини (метр) мала б бути жорстко прив’язаною до розмірів Землі і, за домовленістю, дорівнювати одній сорока мільйонній частині ( 1/ 40 000000) земного меридіана. При цьому кілограм мав би дорівнювати масі одного кубічного дециметра (тобто одного літра) дистильованої води, взятої при температурі 4 С. Реалізуючи цей задум в 1799 році, після  проведення відповідних вимірювань, були виготовлені еталонні зразки метра і кілограма , які отримали назву   “архівний метр” та ”архівний кілограм”.

Однак подальші, більш точні вимірювання показали, що виготовлені зразки , дещо відрізняються від задуманих. Зокрема, з’ясувалось, що “архівний метр” приблизно на 0,1мм коротший за  одну сорока мільйонну земного меридіана. Причина подібної неточності очевидна, – з плином часу удосконалюються прилади і методи вимірювань, а отже і їх точність. А це означає , що визначивши метр як одну сорока мільйону частину земного меридіана, а кілограм – як масу 1дм  води, ми неминуче приречені на те, щоб після кожного уточненого вимірювання довжини земного меридіана, відповідно змінювати “архівний метр” і “ архівний кілограм”

Розв’язуючи цю проблему, вчені зрозуміли, що нема потреби жорстко прив’язувати базові одиниці вимірювань до тих чи інших параметрів навколишнього світу. Достатньо, щоб ці одиниці були   загальноприйнятими і  зручними в користуванні . Виходячи з цього в 1889 році на основі “архівного метра” і “архівного кілограма” було виготовлено 34 гранично подібних еталонних метра і 43 гранично подібних еталонних кілограма. Із цих еталонних одиниць, випадковим чином вибрали по одному зразку і затвердили їх в якості Міжнародного еталону метра і кілограма . Інші еталонні зразки були визнані точними копіями Міжнародних еталонів і шляхом жеребкування розподілені між передовими державами того часу. Таким чином:

Метр – це одиниця вимірювання довжини, яка в точності дорівнює довжині Міжнародного еталону  метра.

     Кілограм – це  одиниця вимірювання маси, яка в точності дорівнює масі Міжнародного еталону кілограма.

    Ці еталони виготовлені із спеціального платино-іридієвого сплаву ( 90% Pt + 10% Ir) і в спеціальних умовах зберігається в Міжнародній палаті мір, яка знаходиться в місті Севрі, що неподалік Парижу.

Потрібно зауважити , що фактичну величину метра і кілограма, вчені по суті обирали керуючись міркуваннями практичної доцільності. Це означає, що якби 1: 40 000 000  частина земного  меридіану виявилась значно більшою, або значно меншою за довжину людського тіла,  то скоріш за все метр був би визначений по іншому. Наприклад, меридіан поділили б не на 40 000 000 частин, є а на іншу їх кількість. Іншими словами, довжина в один  метр і маса в один кілограм не відображає певних природних закономірностей. По суті, ці величини вибрані довільно, з урахуванням практичної доцільності та зручності.

В сучасних підручниках та енциклопедіях ви можете прочитати: “Метр – це одиниця довжини, яка дорівнює довжині 1650763,73 хвиль (у вакуумі) випромінювання, яке відповідає переходу між енергетичними рівнями 2Р10  і  5d5  атома  Kr86.”

Коментуючи це визначення,  потрібно сказати , що воно не має ніякого відношення до того, яким чином визначалась фактична величина метра. По суті, вище наведене визначення означає лише те, що керуючись ним, за необхідності, можна достатньо точно відтворити фактичне значення Міжнародного еталону метра, який сьогодні, як і 120 років тому представляє собою відстань між двома тонкими штрихами нанесеними на платино-іридієвий  стержень   який зберігається в Міжнародній палаті мір у Франції.

Наприклад, якби ми встановили радіозв’язок з мешканцями далекої зіркової системи, то пояснюючи їм геометричні параметри земних об’єктів, ми неминуче мусили б пояснити, що таке “метр”. Пояснюючи це, ми б сказали наступне : “Метр – це дуже просто. Візьміть атоми з порядковим номером 36 і масовим числом 86 змусьте їх випромінювати світло. Виміряйте довжину світлової хвилі, яка відповідає переходу цих атомів з енергетичного рівня 2Р10   на рівень5d . Візьміть 1650763,73 довжин цих хвиль і ви отримаєте метр”.

Таким чином, якщо ви захочите точно відтворити довжину еталонного метра, або пояснити інопланетянам що таке метр, то  маєте скористатися визначенням :

Метр – одиниця довжини, яка дорівнює довжині 1 650 763,73 хвиль випромінювання, яке відповідає переходу між енергетичними рівнями  2Р10  і 50d   атома Kr86.

Потрібно сказати, що запропонована в 1799 році метрична система вимірювань, ще  не була системою одиниць в сучасному розумінні цього терміну. Адже вона дозволяла вимірювати лише дуже обмежений перелік величин : довжину, площу, об’єм, масу, густину.

Якщо ж говорити про системи одиниць сучасного зразку, то перша з таких систем була розроблена в 1832 році німецьким вченим Карлом Гаусом (1777-1853). Намагаючись максимально спростити рішення теоретичних і експериментальних задач, Гаус розробив методику  побудови єдиної системи взаємопов’язаних одиниць і керуючись цією методикою створив  першу сучасну систему одиниць (МГС). Основу цієї системи складали три базові одиниці:

одиниця довжини – міліметр    М

одиниця маси – грам                 Г

одиниця часу – секунда            С

При цьому решта одиниць визначалась на основі визначальних рівнянь відповідних фізичних величин.

Після того як Гаус сформулював загальні принципи побудови систем одиниць, на основі цих принципів було розроблено багато інших систем. До недавнього часу, в науково-технічній практиці застосовувалось більше десяти подібних систем одиниць, що безумовно негативно позначалось на багатьох сферах людської діяльності, в тому числі і на сфері освіти.

Ясно, що такий стан речей  змушував  вчених працювати над створенням єдиної, універсальної системи одиниць.  Така система була розроблена, і  в жовтні 1960 року затверджена в якості Міжнародної системи одиниць (СІ). Ця система побудована на семи основних одиницях :

1.  Одиниця довжини – метр [𝓁] =м

2.  Одиниця маси – кілограм [m] =кг

3.  Одиниця часу – секунда           [t] =с

4.  Одиниця температури – кельвін [Т] =К

5.  Одиниця сили струму – ампер [I] = A

6.  Одиниця сили світла – кандела [ᴊ]= кд

7.  Одиниця кількості речовини – моль [ν] = моль

Вивчаючи механіку ми будемо оперувати лише трьома основними одиницями : метр, кілограм, секунда. Про те що таке метр і кілограм ви вже знаєте. Напевно знаєте і те, яку тривалість має секунда : секунда це    1/60 хвилини, хвилина1/60 години , година 1/24 доби, а доба, це той час, за який  Земля робить один повний оберт навколо своєї осі. І це правильно.

Секунда – це одиниця вимірювання часу, яка дорівнює1/86400  частині усередненої земної доби  ( 24 ∙ 60 ∙ 60 = 86400).

Але для того, щоб пояснити “інопланетянам” що таке секунда і зважаючи на те, що сьогоднішня секунда і секунда вчорашня, чесно кажучи, не зовсім однакові (*), вчені придумали  наступне визначення :

   Секунда – це одиниця вимірювання часу, яка дорівнює 9 192 631 770  періодам випромінювання, яке відповідає переходу між двома надтонкими рівнями (ƒ=4,  m=0 і ƒ=3, m=0)  основного стану не збудженого зовнішніми полями) атома цезію 133 .

Зазубрювати це визначення не потрібно. Просто ви маєте знати, що таке визначення існує, і що воно будь-якому  “інопланетянину” може пояснити , що таке секунда, хвилина, година, доба, тощо

*) Не однакові, в тому сенсі, що швидкість обертання Землі навколо своєї осі надзвичайно повільно, але незворотньо зменшується.

 

Словник фізичних термінів.

         Метр – це одиниця вимірювання довжини, яка в точності дорівнює довжині Міжнародного еталону метра, або довжині 1 650763, 73 хвиль випромінювання, яке відповідає переходу між енергетичними рівнями 2Р10 і 5d5 атома Kr86.

         Кілограм – це   одиниця випромінювання маси, яка в точності дорівнює масі Міжнародного еталону кілограма. Один кілограм приблизно дорівнює масі одного літра (1дм3) дистильованої води, взятої при температурі 150С.

         Секунда-  це одиниця вимірювання часу, яка дорівнює 1/86400  частині усередненої земної доби, або 9 192 631 770 періодам випромінювання, яке відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію 133.

Абсолютні величини метра кілограма і секунди обирались суб’єктивно і тому не відображають певних загально природних закономірностей.

 

 

Контрольні запитання.

1.  Де і коли виникла ідея створення системи взаємопов’язаних одиниць вимірювань. В чому суть цієї ідеї?

2.  Чому вчені відмовились від того, щоб розміри еталонного метра жорстко прив’язувати до розмірів Землі?

3.  Чи являються базові одиниці вимірювань (метр, кілограм, секунда) відображенням певних загально природних закономірностей? Чому?

4.  Хто і коли розробив методику побудови сучасної системи одиниць? В чому суть цієї методики ?

5.  Чи зрозумів би нас “інопланетянин” якби ми йому сказали, що секунда – це 1/86400 частина доби? Чому?

 

 

Подобається

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *