Раздел физики: «Какие есть разделы физики?» – Яндекс.Кью

Содержание

Физика: наука о законах природы

Физика – это раздел естествознания, наука о материи, ее структуре и движении, простейших и общих законах природы. Изучение дисциплины (школьного предмета) поможет использовать полученные знания в технической и естественнонаучной сфере.

Обучение онлайн данного предмета поможет школьникам «подтянуть» оценки в школе, выиграть олимпиады, сдать экзамены, поступить в физико-математические ВУЗы страны, получить достойную профессию.

Взрослым изучение физики также важно. Чаще всего они учат физику для перепрофилирования по специальности, повышения по карьерной лестнице и разработки новых проектов. Взрослые познакомятся с новейшими достижениями в области физики, ее влиянием на другие области науки. Многие люди зрелого и пожилого возраста структурируют свои знания по физике для более глубокого понимания окружающего мира, занимаются саморазвитием.

Что изучают в школе?

Для углубленного погружения в науку, необходимо сначала изучить базовый ее уровень, движение идет от самого простого к более сложному. В школьной программе ученикам предлагают следующие темы:

  1. Кинематика. Раздел механики, который изучает движение тел, но не выявляет его причины.
  2. Динамика. В отличие от кинематики, динамика изучает не только движение тел, но их причину, взаимодействие с другими телами. Происходит знакомство с разными типами движения.
  3. Статика. Условия равновесия тел, их типы.
  4. Гидростатика. Условия равновесий тел в разной плотности. Ученики узнают о Законах Архимеда и Паскаля, сообщающихся сосудах.
  5. Импульс. Импульсом называют векторную величину, обозначающую количество движения.
  6. Работа, мощность, энергия. Новые физические величины, требующие детального рассмотрения.
  7. Молекулярная физика. Строение и свойства тел: атомы, молекулы, частицы.
  8. Термодинамика. Движение тел в зависимости от изменений температуры.
  9. Электростатика. Раздел об электричестве, его зарядах и взаимодействии.
  10. Электрический ток. Изучается сила тока, его мощность, напряжение, сопротивление.
  11. Магнетизм. Взаимодействие заряженных тел под влиянием магнитного поля.
  12. Колебания. Типы колебаний, их польза. Изменения состояний по отношению к точкам равновесия.
  13. Оптика. Явления, которые связаны с электромагнитными волнами, их закономерности.
  14. Основы СТО, атомная и ядерная физика. Знаменитая теория относительности, изучение атомного ядра.

Разделы современной физики также включены в программу обучения некоторых ресурсов. Обычно подобные темы необходимы студентам ВУЗов. К примеру, предлагается изучить нейтронные звезды, голографию, замедление времени.

Преимущество онлайн-ресурсов по изучению физики

Веб-версии курсов по физике отличаются от школьной программы своим более индивидуальным подходом. Развивающие порталы предоставляют:

  • Полноценное и последовательное изложение учебного материала с нуля;
  • Легкий стиль изложения с использованием видео-роликов, графиков, схем;
  • Большую подборку наглядных примеров при объяснении материала;
  • Специально разработанные задачи по каждой теме с подробным разъяснением.

На подобных порталах собрано большое количество информации из лучших учебников, пособий, задачников.

Популярные порталы для изучения физики

Выберите для себя наиболее удобный и функциональный ресурс, чтобы изучить физику. Вот топ-5 наиболее популярных вариантов:

  1. getaclass.ru – официальный сайт, предлагающий информацию в виде презентаций и видео-роликов. Здесь масса различных экспериментов для лучшего понимания тем. По каждой из них предусмотрен подробный конспект.
  2. physicsline.ru – ресурс, который предлагает не только обыденный учебный материал, но и статьи научных журналов, задачи для участников олимпиад. Информация подается в видео-роликах, уроки ведет Сергей Рогин.
  3. interneturok.ru – портал, собравший материалы не только по физике, но и другим предметам. Тесты, тренажеры, конспекты регулярно пополняются интересными файлами.
  4. coursera.org – сервис позволяет изучить самостоятельно всю школьную программу в интересном изложении. По завершении курса система выдаст электронный сертификат, который подтвердит успешную сдачу внутреннего экзамена. Сертификат – своеобразное подспорье при поступлении на бюджетные места в физико-математические ВУЗы.
  5. Онлайн-лекторий МФТИ. Портал создан абитуриентами и студентами Физтеха. Собраны лекции, записи семинаров, конференций по наиболее важным областям физики.

Урок 12. световые волны – Физика – 11 класс

Оптика – раздел физики, изучающий световые явления, выясняющий физическую природу света, устанавливающий свойства света, закономерности его излучения и взаимодействия с веществом.

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах и законы его отражения от зеркальных поверхностей на основе представления о световых лучах.

Волоконная оптика раздел оптики, изучающий систему передачи света и изображений с помощью световодов.

Световой луч – линия, вдоль которой распространяется световая энергия.

Свет – это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом.

Скорость света – абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме (299 792 458 м/с).

Преломление света – явление изменения направления распространения света при прохождении через границу раздела сред с разными оптическими свойствами.

Отражение света явление изменения направления распространения света на границе двух сред, при котором свет остается в первой среде.

Закон прямолинейного распространения света: в однородной оптической среде свет распространяется прямолинейно.

Закон независимости световых лучей: лучи при пересечении не возмущают друг друга.

Закон отражения света: луч падающий, луч отражённый и нормаль к отражающей поверхности в точке падения лежат в одной плоскости, причём угол падения равен углу отражения.

Угол падения – угол между падающим лучом и нормалью к отражающей поверхности в точке падения.

Угол отражения – угол между нормалью к отражающей поверхности и отражённым лучом.

Принцип Ферма: свет распространяется по такому пути, для прохождения которого требуется минимальное время.

Принцип Гюйгенса: каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн.

Волновой фронт – поверхность, до которой дошёл волновой процесс к данному моменту времени.

Плоская волна – волна, у которой поверхности равной фазы (волновые поверхности) и соответственно фронт волны имеет форму плоскости.

список основных разделов, что они изучают

Значение физики в современном мире

Определение

Физика — это наука о наиболее общих законах природы, о материи, ее структуре, движении и правилах трансформации.

Многими исследователями физика считается фундаментальной отраслью знаний, так как иные научные дисциплины, такие как биология, география или химия, описывают конкретные материальные системы, их структуру и динамику, опираясь при этом на физические законы. Например, химические свойства атомов определяются их физическими характеристиками.

Важность физики для современного мира невозможно переоценить. Открытия в этой области науки существенно преобразили повседневную жизнь людей практически в каждом уголке планеты. Приведем несколько примеров:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

  1. Появление телефонов, в том числе и мобильных, которые обеспечили быструю, почти мгновенную связь людей между собой вне зависимости от разделяющего их расстояния.
  2. Изобретение компьютеров, что привело к возможности в сжатые сроки обрабатывать огромные массивы данных и информации.
  3. Разработка автомобилей, вертолетов, самолетов и иных видов транспорта, которые увеличили мобильность людей и грузов.
  4. Применение в строительстве: знание физики обеспечивает стойкость возведенных зданий, так как учитываются совершенно разные и многообразные факторы — устойчивость материалов к внешнему воздействию тепла, воды, ветра, возможность противостояния катаклизмам и природным явлениям.
  5. Возрастающее значение в медицине: физические открытия позволяют совершенствовать диагностику на ранних стадиях (например, изобретение рентгена или использование тонометров и электрокардиограмм), а также сделать процесс лечения и даже оперативного вмешательства более точным, безболезненным и безопасным (проведение операций с помощью лазерных аппаратов).
Примечание

Однако следует помнить, что с физикой же связаны и некоторые вопросы и явления, которые привлекают внимание и беспокойство общественности, к примеру, утилизация радиоактивных отходов или эксплуатация атомных электростанций.

Экспериментальная и теоретическая физика

Определение

Экспериментальная физика — это способ познания природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально приготовленных условиях.

Роль эксперимента в изучении окружающего нас мира была признана не сразу, а лишь начиная со времен Галилея и его последователей. До этого в науке превалировал иной подход, которому учили в Древней Греции: более надежными данными считались такие, которые получены путем размышления, в то время как реальными опытами можно было пренебречь.

Примечание

Экспериментальная физика тесно связана с теоретической: негативные результаты эксперимента сообщают о неприменимости физической теории к нашему миру. Однако согласие эксперимента с теорией не говорит о верности и корректности последней.

Кроме того, экспериментальная физика должна включать в себя исключительно описание результатов, но не их интерпретацию, однако на практике это невозможно. Это происходит потому, что теоретическая физика обеспечивает исследователей знанием, как ведут себя все элементы экспериментальной установки.

Определение

Теоретическая физика — это такой способ познания природы, в котором широко используется создание теоретических (в первую очередь математических) моделей явлений и сопоставление их с реальностью, а также объяснение последней.

В основе методологии данного раздела физической науки лежит аксиома о том, что по какой-либо причине описание природных явлений и процессов посредством построения математических моделей высокоэффективно.

Конечным результатом теоретической физики является физическая теория с определенным содержанием.

Признаки физической теории:

  • математическая непротиворечивость;
  • возможность получать внутри теории предсказания для экспериментов; согласие эксперимента с теорией.

Структура физической теории:

  • перечисление круга явлений, для изучения которых разрабатывается математическая модель;
  • аксиомы, определяющие свойства математической модели;
  • наблюдаемые физические объекты;
  • следствия математических аксиом и их эквиваленты в реальном мире.

Дополнительные, но крайне желательные элементы физической теории:

  • «Математическая красота»;
  • «Бритва Оккама» — методологический принцип, в кратком виде гласящий: «Не следует множить сущее без необходимости»;
  • склонность к прогнозированию;
  • «Принцип соответствия» — возможность встроить теорию в уже существующую с целью избежать дублирования информации.

Прикладная физика

Определение

Прикладная физика — это комплекс научных дисциплин, разделов и направлений физики, в качестве цели которых выступает решение физических проблем для конкретных технологических и практических применений.

Необходимо отметить, что прикладная физика основывается на данных теоретической, так как основывается на основополагающих понятиях и законах. Поэтому, как и в случае с экспериментальным разделом, мы можем наблюдать тесную связь между ними.

Ввиду того, что физика — это фундаментальная наука, которая описывает все аспекты нашего мира, исследования в прикладной области зачастую междисциплинарные.

Основные разделы физики: что они изучают

Основные группы разделов:

  • макроскопическая физика;
  • микроскопическая физика;
  • междисциплинарные отрасли знаний.
Определение

Макроскопическая физика изучает явления и законы мира, в котором размеры объектов сопоставимы с размером человеческого тела.

Ее разделы:

  1. Механика — изучает движение материальных тел и взаимодействие между ними. При этом уточняется понятие движения. Особенно выделяется классическая механика, которая имеет четко выделенные границы применимости: она не описывает движения в «микромире».
  2. Общая теория относительности — уточняет специальную теорию относительности А. Эйнштейна, учитывает кривизну пространства.
  3. Оптика — рассматривает явления, касающиеся распространения электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов спектра; вводит понятие света и изучает его особенности; включает в себя волновую, молекулярную, нелинейную и кристаллооптику.
  4. Термодинамика — изучает наиболее общие свойства макроскопических систем и способы передачи и превращения энергии в таких системах. Данный раздел физики уточняет понятие температуры. Термодинамика является одним из наиболее полных и изученных разделов физической науки.
  5. Физика колебаний и волн — изучает физические явления, которые отличаются циклическим изменением физических величин во времени и в пространстве; выделяет колебательные (механические, электромагнитные, электромеханические колебания) и волновые процессы (упругие и электромагнитные волны).
  6. Электродинамика — изучает электромагнитное поле и его электромагнитное воздействие. Объекты изучения — электромагнитное излучение, электрический ток и т.д., включает в себя электродинамику сплошных сред, магнитогидродинамику и электрогидродинамику.
Определение

Микроскопическая физика исследует «микромир», в котором объекты во много раз меньше человека.

Ее разделы:

  1. Атомная физика — изучает строение и свойства атомов. Она получила развитие на рубеже XIX — XX веков,  перемежается с ядерной.
  2. Квантовая физика — изучает квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Она отличается исключительно описательным характером, включает в себя такие подразделы: квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая статистическая физика, квантовая оптика. Квантовая физика  разрабатывалась А. Эйнштейном и многими другими исследователями.
  3. Статистическая физика — изучает системы с произвольным числом степеней свободы. Она делится на статистическую механику, статистическую теорию поля физическую кинетику и квантовую статистику. Она  оперирует такими понятиями, как фазовое пространство, статистический вес, статистическая сумма и т.д. Прогнозы носят вероятностный характер.
  4. Физика конденсированных сред — занимается исследованиями макроскопических и микроскопических свойств вещества, особенно в таких обстоятельствах, когда количество составляющих элементов (например, атомов) достаточно велико и взаимодействия между ними интенсифицируются. Подразделами этой дисциплины являются физика твердого тела, жидкостей, атомов и молекул, а также наноструктур.
  5. Ядерная физика — изучает структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции), оперирует такими понятиями, как атом, нейтрон, протон и др., имеет принципиальное значение для многих смежных дисциплин.

Междисциплинарные разделы (список основных отраслей):

  1. Астрофизика — дисциплина на стыке физики и астрономии, изучает физические процессы в астрономических объектах.
  2. Геофизика — дисциплина на стыке геологии и физики, особенное практическое значение имеет ее подраздел сейсмология, которая занимается землетрясениями, их причинами и последствиями.
  3. Материаловедение — дисциплина, изучающая, как изменяются свойства материалов, как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от тех или иных факторов. Основные вопросы — структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства. Она включает в себя космическое материаловедение, нанотехнологии, кристаллографию, металловедение.
  4. Медицинская физика — практическое применение физических подходов в медицине и здравоохранении. Она подразумевает одиннадцать основных направлений работы: решение научных проблем; измерение доз, которые может перенести пациент; управление рисками в медицине; спецификация, отбор, приемочные испытания, ввод в эксплуатацию и контроль качества медицинских приборов; клиническое участие; оптимизация процесса лечения, экспертная консультация; образование сотрудников здравоохранения; оценка медицинских технологий; разработка и внедрение инноваций.
  5. Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Она делится на фундаментальную, прикладную и законодательную.

ЕГЭ по физике, подготовка к ЕГЭ по физике 2021 в Москве, задачи, оценки, сколько длится экзамен — Учёба.ру

11Равномерное прямолинейное движение, равноускоренное прямолинейное движение, движение по окружности
21Законы Ньютона, закон всемирного тяготения, закон Гука, сила трения
31Закон сохранения импульса, кинетическая и потенциальные энергии, работа и мощность силы, закон сохранения механической энергии
41Условие равновесия твердого тела, закон Паскаля, сила Архимеда, математический и пружинный маятники, механические волны, звук
52Механика
62Механика
72Механика
81Связь между давлением и средней кинетической энергией, абсолютная температура, связь температуры со средней кинетической энергией, уравнение Менделеева—Клапейрона, изопроцессы
91Работа в термодинамике, первый закон термодинамики, КПД тепловой машины
101Относительная влажность воздуха, количество теплоты
112МКТ, термодинамика
122МКТ, термодинамика
131Принцип суперпозиции электрических полей, магнитное поле проводника с током, сила Ампера, сила Лоренца, правило Ленца
141Закон сохранения электрического заряда, закон Кулона, конденсатор, сила тока, закон Ома для участка цепи, последовательное и параллельное соединение проводников, работа и мощность тока, закон Джоуля — Ленца
151Поток вектора магнитной индукции, закон электромагнитной индукции Фарадея, индуктивность, энергия магнитного поля катушки с током, колебательный контур, законы отражения и преломления света, ход лучей в линзе
162Электродинамика
172Электродинамика
182Электродинамика и основы специальной теории относительности
191Планетарная модель атома. Нуклонная модель ядра. Ядерные реакции
201Фотоны, линейчатые спектры, закон радиоактивного распада
212Квантовая физика
221Механика — квантовая физика
231Механика — квантовая физика
242Элементы астрофизики: Солнечная система, звезды, галактики

Раздел физики, родившийся из ошибки

Игорь Иванов

Статья представлена на конкурс «Физика как технологическая и мировоззренческая основа современной цивилизации, или Высокие технологии: истоки, сегодняшний день, перспективы».

Теория относительности Эйнштейна и квантовая механика — две самых значительных физических теории XX века — родились из революционных идей, моментально изменивших физику до неузнаваемости. Однако далеко не всегда новое направление в физике начинается с такой революции. Бывает, что незаметная поначалу идея, предложенная для объяснения какого-либо частного явления, постепенно обобщается, обнаруживается во всё большем числе разнообразных эффектов, и, наконец, становится универсальным законом природы. Потом может оказаться, что применение этой идеи к исходному частному факту было неоправданным, но это уже не мешает развиваться новому направлению физики и возникать его практическим применениям.

Об одной такой истории — этот рассказ.

***

Еще в XIX веке было обнаружено, что в геологическом прошлом климат Земли не оставался неизменным. Какое-то время назад значительную часть материков северного полушария занимали ледники, но и такое состояние было не всегда, а наступало периодически: земной климат проходил через стадии ледниковых периодов. По мере совершенствования методики изучения прошлого Земли вырисовывалась ясная картина: за последний миллион лет ледниковые периоды наступали примерно каждые сто тысяч лет. Причина наступления и отступления ледников понятна — это общее похолодание или потепление климата Земли. Но что вызывает эти глобальные изменения климата и откуда берется эта стотысячелетняя периодичность?

Главнейший источник тепла для Земли — это Солнце, а значит, долговременные колебания климата вызываются, по-видимому, изменением потока солнечного тепла, попадающего на Землю. Само Солнце светит стабильно, однако параметры земной орбиты постепенно изменяются со временем. Из курса школьной физики известно, что Земля движется вокруг Солнца по слегка вытянутому эллипсу и, кроме того, вращается вокруг своей оси, наклоненной под некоторым углом к плоскости орбиты. Все эти параметры не остаются постоянными: земная ось сама медленно вращается в пространстве с периодом 27 тыс. лет, а угол ее наклона меняется в небольших пределах с периодичностью 41 тыс. лет. Наконец, вытянутость земной орбиты (эксцентриситет) тоже слегка колеблется. Примерно каждые 100 тыс. лет орбита Земли меняется от совсем круглой до чуть вытянутой и обратно. Каждое из этих колебаний приводит к небольшому сезонному перераспределению солнечного тепла между разными широтами, а значит, влияет на климат.

Взгляд на приведенные числа сразу наводит на подозрение, что причиной периодичности оледенений могут быть колебания эксцентриситета. Но здесь есть одна неувязка: эти колебания — самые слабые из всех вышеперечисленных. На слабый периодический сигнал накладываются гораздо более сильные и быстро меняющиеся возмущения: ведь случайно меняющаяся год от года погода на Земле на масштабе многих тысяч лет выглядит просто как сильный, хаотический «погодный шум». Как же самому слабому «внешнему сигналу» удается сквозь этот шум пробиться и, пересилив все остальные сигналы, «зазвучать в полную силу» на графике оледенения?

Тут самое время, вместо того чтобы угадывать, кто и на что влияет, воспользоваться методами теоретической физики и построить модель отклика земного климата на разные внешние воздействия. Грамотно построенная модель сама ответит на наши вопросы.

***

В 1981 году две группы физиков — одна в Риме под руководством Р. Бенци, другая в Брюсселе, возглавляемая К. Николис, — независимо друг от друга предложили сосредоточиться на общих чертах поведения климата под одновременным влиянием слабого периодического и сильного хаотического воздействий. Построив простую математическую модель и изучив ее, они открыли совершенно поразительное — и на первый взгляд даже противоестественное — явление. Оказывается, шум определенной интенсивности не только не мешает, а даже помогает слабому возмущению проявить себя в отклике системы. Это явление получило название стохастического резонанса. Слово «резонанс» означает здесь неожиданно сильный отклик системы, а «стохастический» отражает тот факт, что причина такого эффекта — хаотическое воздействие, шум.

Суть этого явления столь проста, что ее можно изложить без единой формулы. В состоянии «ледникового равновесия» площадь оледенений из года в год остается постоянной. Конечно, ледники уменьшаются летом и восстанавливаются зимой, но важным является именно значение, усредненное за год. Оказывается, есть две довольно устойчивых ситуации: максимальное и минимальное оледенения. При максимальном оледенении Земля выглядит из космоса белой, а значит, она отражает большинство падающих на нее солнечных лучей и солнечного тепла, и это не дает растаять обширным ледникам. Другое состояние климата также стабильно: если оледенений почти нет, то Земля выглядит темной, поглощает много солнечного тепла, и это не дает образовываться новым глобальным оледенениям. Различие в температуре между «холодной» и «теплой Землей» значительно — порядка 10 градусов. Представьте себе, как бы вам жилось в вашем родном городе, если бы температура воздуха была всегда на 10 градусов ниже!

Под действием внешних возмущений «ледниковое равновесие» перестает быть абсолютно устойчивым. Поскольку «погодный шум» — явление случайное, не исключено, что абсолютно случайно несколько лет подряд в силу разных причин на Земле будет наблюдаться необычно сильное похолодание. Каждую зиму ледники будут разрастаться, не успевая растаять летом, через некоторое время покроют заметную часть земной поверхности, и тогда окажется, что климат находится уже в холодной фазе. Аналогично, за счет одних только случайных, но достаточно сильных шумов, возможен и обратный перескок из холодной фазы в теплую: всё, что требуется, — это подождать некоторое время.

Слабое периодическое воздействие приводит к тому, что в течение половины периода (а это многие тысячи лет) среднегодовой поток тепла становится чуть больше, а в течение другого полупериода — чуть меньше обычного. Однако это воздействие слабое и само по себе ледниковые льды не растопит. В физике такое возмущение называется подпороговым: его сила меньше того порога, который необходим для перескока системы из одного состояния в другое. А вот когда эти два воздействия — шум и периодический подпороговый сигнал — работают вместе, тут-то и возникает резонанс. Мощность шумов и период сигнала можно подобрать таким образом, что они начнут «сотрудничать»: шум как бы помогает системе «созреть» для перескока в другое устойчивое состояние, а слабенькое приложенное воздействие подталкивает ее в нужный момент, задает темп перескоков. Периодическое воздействие очень слабое, но именно оно играет роль «дирижера» глобальных оледенений.

Итак, совместное действие сильного шума и слабого возмущения определенного периода приводит к появлению четко заметного периодического отклика, повторяющего слабое возмущение, но многократно усиленного шумами. Поразительный симбиоз казалось бы несовместимых явлений!

***

Таким образом, земной климат — это некая система, которая под одновременным воздействием сильных хаотических и слабых периодических сил регулярно «переключается» между двумя относительно устойчивыми состояниями. Теперь можно сделать стандартный для теоретической физики переход: забыть про конкретную ситуацию (Земля, климат, ледники) и сфокусироваться на самых общих чертах явления. На языке теоретической физики построенная модель называется стохастическая бистабильная система с вынуждающей силой. Читателя, добравшегося до этих строк, такие термины уже не должны испугать.

Раз стохастический резонанс можно сформулировать в столь общих терминах, то возникает желание найти его проявления и в иных бистабильных системах. Поначалу, правда, казалось, что обнаруженное «на кончике пера» явление слишком уж искусственно, однако к концу 1980-х годов одно за другим начали появляться сообщения о наблюдении такой «противоестественной дружбы» шума и периодического воздействия в самых разных системах. Здесь были и электрические цепи, и лазеры, и магнитные системы, и полупроводниковые устройства. Одним словом, рождалось и бурно развивалось новое направление в физике.

Интересно, что уже в ближайшем будущем, когда сверхминиатюрная электроника выйдет из научных лабораторий и станет доступна массовому пользователю, стохастический резонанс может оказаться важной ее частью. Например, в 2003 году исследователи из Университета Южной Калифорнии обнаружили это явление в самых перспективных «кирпичиках» наноэлектроники будущего — в углеродных нанотрубках (длинных цилиндрических каркасных молекулах, целиком состоящих из углерода). Транзисторы, выполненные на одной нанотрубке, оказались способны регистрировать более слабые зашумленные сигналы, чем ожидалось вначале! Другой пример дают нейронные сети — электронные устройства, способные эффективно обрабатывать огромные объемы информации. В таких сетях стохастический резонанс будет проявляться в виде улучшенной проводимости зашумленной информации и синхронизации процессов, одновременно происходящих в разных частях сети. Исследования показывают, что оба этих явления можно использовать при конструировании сети. Наконец, в самые последние годы появился ряд сообщений об успешном использовании стохастического резонанса при обработке сигналов и компьютерном распознавании изображений.

Пожалуй, самым драматичным моментом в истории стохастического резонанса стало осознание того факта, что природа уже давно взяла его на вооружение. В 1996 году американцы Левин и Миллер, изучая поведение обыкновенного сверчка, обнаружили, что чувствительность его рецепторов возрастала при наложении шумов определенной громкости. Стохастический резонанс помогал сверчку лучше улавливать слабые синхронные колебания воздуха и вовремя узнавать о приближении хищника! Аналогичные опыты, проведенные в 1999 году группой Ф. Мосса в Сент-Луисе, показали, что это же явление использует и рыба веслонос для охоты на дафний: она улавливает слабые синхронные колебания электрических полей в воде благодаря электрическим же шумам и узнает о близости своей добычи.

Огромный интерес физиологов к новому физическому явлению быстро привел к открытию клеточного механизма «природного» стохастического резонанса: активизация ионных каналов в мембране нейронов и, как следствие, повышение чувствительности нервных окончаний. Слабый сигнал сам по себе неспособен преодолеть порог возбуждения нервных окончаний и потому не ощущается животными. Шум же «открывает» ионные каналы, и такие предварительно активизированные нейроны легче проводят слабые сигналы, повышая восприимчивость чувствительных клеток животного.

Совсем недавно было обнаружено, что за счет стохастического резонанса улучшается эффективность многих нейрофизиологических процессов и у людей. Например, в 2002 году эксперименты Дж. Коллинза и его коллег из Бостонского университета убедительно показали, что подпороговый тактильный шум (то есть слабые беспорядочные вибрации, сами по себе неощутимые пациентом) способны обострять чувство баланса при ходьбе. А это значит, что специальная обувь с хаотически вибрирующей вкладкой в подошве может улучшить координацию пожилых людей или людей с расстройствами баланса. Другое применение той же идеи — специальные перчатки, создающие слабый тактильный шум, — повысит чувствительность пальцев и окажет незаменимую помощь микрохирургу в ходе операции.

Поистине редко какое открытие в теоретической физике находит столь непосредственные применения в повседневной жизни!

***

Но вернемся к ледниковым периодам. В последние годы под натиском более аккуратных данных и уточненных моделей ученые стали склоняться к мысли, что стотысячелетний цикл одним лишь колебанием эксцентриситета не объяснить. В 2004 году английские геофизики Маслин и Риджвелл в своей статье, посвященной «развенчанию эксцентриситетного мифа», собрали воедино аргументы и показали, что реальная значимость колебания эксцентриситета преувеличена: он не может быть главной причиной цикличности оледенений.

Что же тогда вызывает эту периодичность? На сегодняшний день это доподлинно не известно. Дело в том, что в последнее время обнаружилось еще несколько источников воздействия на климат, как земных, так и астрофизических. В частности, выяснилось, что на земной климат могут существенно влиять и космические лучи — потоки заряженных частиц, попадающих на Землю из глубокого космоса. Модель, которая учитывала бы усредненный отклик земного климата на все эти эффекты, пока не построена.

На этом история не заканчивается. Совсем недавно стохастический резонанс, ставший уже надежно установленным явлением в физике, вернулся в климатологию.

Согласно свежим данным, в ходе последнего ледникового периода иногда происходили резкие взлеты и падения среднегодовой температуры, в особенности в Северной Атлантике. Совершенно удивительным образом холодный и, казалось бы, устойчивый климат в северном полушарии вдруг разогревался на несколько градусов, и пару сотен лет в Северной Европе стояла неледниковая погода.

Климат Северной Атлантики определяет течение Гольфстрим. Оно переносит тепло вплоть до Исландии, охлаждается, ныряет на дно Атлантического океана и возвращается к экватору в виде холодного глубоководного течения. Гольфстрим, словно гигантский вентилятор, перемешивает морские массы и не дает слишком сильно остыть Европе и Канаде. Однако во время ледникового периода, как обнаружили в 2001 году геофизики Ганопольский и Рамсторф из Потсдама, эта циркуляция может происходить в двух режимах хрупкого равновесия. Тут и проявился стохастический резонанс: периодически изменяя один из параметров своей модели — приток пресной воды в Северный Ледовитый океан — ученые видели, как в их модели перестраивались океанические течения и как резко разогревалась или остывала Европа. Переключение между этими двумя режимами приводили к прыжкам среднегодовой температуры на несколько градусов всего за несколько лет!

Стохастический резонанс ясно показывает, что в природе существуют механизмы усиления возмущений, причем усиления не постепенного, накопительного, а резкого, «выбрасывающего» весь климат целиком из привычного состояния. Согласно последним исследованиям, такой скачок — вопреки наивным прогнозам и экстраполяциям — может произойти очень быстро, на масштабах одного поколения.

***

Интересный урок, оказывается, преподнес нам стохастический резонанс! Мы привыкли, что из неразберихи ничего само собой не организуется и что шум заглушает порядок. Это не всегда так. В определенных условиях шум играет конструктивную роль, не подавляет, а усиливает внешние воздействия, а значит, делает систему менее устойчивой. Такое поведение характерно не только для сугубо «технических» устройств, но и для природы в целом.

То, что стохастический резонанс всё-таки не сработал для решения исходной загадки, не должно нас расстраивать. Само явление уже надежно установлено и экспериментально открыто во многих системах. Просто столь прямолинейное применение этого эффекта к ледниковым периодам, по-видимому, оказалось ошибкой — впрочем, ошибкой, породившей новое направление естествознания.

Почему квантовую физику так сложно понять? Объясняем в девяти карточках

Как правило, работа физика-теоретика и физика-экспериментатора очень сильно различается. Теоретики могут за всю жизнь не посетить ни одну лабораторию, не видеть ни один эксперимент, и при этом делать потрясающие открытия в области квантовой механики. Например, на заре квантовой механики, в начале 20 века, физики-теоретики придумали огромное количество потрясающих экспериментов, которые нельзя было поставить в то время. Но спустя десятки лет подтвердилось, что все было предсказано правильно. Физики-теоретики прекрасно представляют себе, как устроена экспериментальная установка, как именно на ней работают. Также они очень плотно взаимодействуют с данными, графиками, изображениями, полученными в лабораториях, и строят подходящие теории, чтобы объяснить результаты этих экспериментов.

Физика не ставит перед собой цели сделать что-то, что человек будет использовать каждый день. Но когда это случается, то происходит очень метко. Например, устройства, которые позволяют нам общаться из разных точек мира, строятся на сложных физических принципах. Поэтому даже та 0,1% открытий, которые доходят до всеобщего применения, настолько преображает нашу жизнь, что мы просто не можем представить, как обходились без этого раньше.

В первую очередь, фундаментальное открытие бозона Хиггса, которое было сделано на Большом адронном коллайдере. Пусть и с оговорками, но оно позволило завершить построение стандартной модели элементарных частиц, которая объясняет свойства нашего мира на самом маленьком масштабе, какой только доступен в настоящее время. Это был последний кирпичик в данной модели, который был предсказан теоретиками задолго до экспериментального открытия. Во-вторых, к главным достижениям можно отнести все разработки в области квантового компьютера, преодоление предела квантового превосходства. И наконец, еще одно значительное открытие — это разработка технологии квантовой связи. Квантовая коммуникация уже вошла в нашу жизнь, она применяется в разных сферах ― например, в банковских и правительственных учреждениях, в том числе и в России.

На уточнение стандартной модели пришлось потратить 50-70 лет: на строительство очень сложного и дорогого адронного коллайдера ушли годы. Следующий момент уточнения находится уже при столь высоких энергиях, для которых не хватит ускорителя даже размером с целую планету. Поэтому в области экспериментального подтверждения существующих сейчас теорий ученые ждут некоторый застой (сделаем оговорку, что сейчас ведутся поиски суперсимметричных партнеров и аксиона, а также частиц темной материи). С другой стороны, на теоретическом уровне есть еще огромное количество неизведанного. Например, те же теории струн и квантовой петлевой гравитации, как кандидаты на «теорию всего», из-за их математической сложности разработаны достаточно слабо. Поэтому, возможно, скоро появится совершенно новый подход, который окажется гораздо лучше. Также есть надежды на прояснение природы темной материи и темной энергии.

Конечно, появление квантового компьютера очень сильно перевернет нашу жизнь. Во-первых, ученым придется переписать многие существующие сейчас алгоритмы шифрования — а значит, все программы, приложения, сайты, способы коммуникаций. Во-вторых, у квантового компьютера, помимо невероятных способностей к дешифрованию, будут и другие полезные применения: например, описание свойств материалов, которые специалисты не могут рассчитывать на обычном компьютере, или поиск лекарств от сложных заболеваний. Возможности квантового компьютера позволят совершить огромный прорыв во всех технических направлениях, а также в области понимания тех вопросов теоретической физики, которые ученые не могут решить сейчас из-за ограничений в вычислительных ресурсах.

Музей истории физики и математики

Уважаемые посетители, обратите внимание на особые правила посещения музея в связи с эпидемиологической обстановкой.

В помещении музея может одновременно находиться ограниченное число посетителей — не более 15 человек, с соблюдением дистанции 1,5-2 метра (из расчета один человек на 20 кв. м.). Посетители обязаны носить перчатки и маску. При необходимости средства защиты можно будет получить при входе в музей. Также при входе посетителям измеряют температуру при помощи бесконтактного термометра. Регулярно проводится санитарная обработка санузлов и мест общего пользования с использованием дезинфицирующих средств, а также дополнительная обработка помещений музея — обрабатываются дверные ручки, перила и др. контактные поверхности. В санитарной зоне установлены антисептики и инструкции по правильному мытью рук. Проводится регулярное проветривание помещений. Приносим извинения за временные неудобства!

Музей истории физики и математики включает два раздела: раздел физики и раздела математики, механики, астрономии.

Экспозиция раздела физики создана и открыта в 2001 году к 100-летию со дня основания научно-исследовательского института физики СПбГУ, которому за выдающиеся достижения приказом ректора от 25 мая 2001 года № 549 присвоено имя всемирно известного физика-теоретика, академика Владимира Александровича Фока.

В экспозиции представлены материалы по истории возникновения и этапах развития физики в отделах Института физики и на кафедрах физического факультета СПбГУ. Излагаются краткие биографии крупнейших русских ученых, создавших научные школы практически во всех областях современной физики. Дана краткая характеристика Института физики на рубеже XX-XXI веков.

Экспозицию раздела математики, механики, астрономии составляют в основном модели механизмов, которые в течение десятилетий бережно хранились сотрудниками кафедры теоретической и прикладной механики математико-механического факультета СПбГУ. Эти модели перешли к кафедре теоретической и прикладной механики из Кабинета практической механики, который был основан в 1865 году под руководством приват-доцента (впоследствии профессора) М. Ф. Окатова. Консерваторами (хранителями) этого кабинета являлись молодые выпускники университета, которые впоследствии стали гордостью российской и мировой науки. Среди них были А. М. Ляпунов, И. В. Мещерский, Г. В. Колосов, Е. Л. Николаи, Н. И. Мусхелишвили и другие.

Во второй половине XIX века преподавание механики в высших учебных заведениях России и за рубежом считалось невозможным без демонстрации наглядных пособий и механизмов. В Кабинете были представлены модели механизмов, демонстрирующие разные виды движений: например, вращательное, прямолинейное, а также преобразование одного вида движения в другой.

Деревянные модели Кабинета практической механики

Предположительно, первые из деревянных моделей были изготовлены по заказу Университета в Артиллерийской технической школе в 1833 году. Другие деревянные модели были изготовлены в мастерской кабинета практической механики. Причем, есть модели, изготовленные известным в то время мастером, университетским механиком Франценом.

Кабинет практической механики также известен тем, что здесь присутствуют модели, созданные собственноручно академиком П. Л. Чебышёвым или по его чертежам.

Значительную часть металлических моделей, представленных в Кабинете практической механики, составляют модели из коллекции известного немецкого ученого-механика, профессора Берлинской Технической Академии Франца Рeло. Более 300 из спроектированных им 800 моделей были произведены в Берлине на мануфактуре Г. Фойгта (конец XIX века) и продавались многим университетам мира для педагогических и научных целей. Сейчас эту коллекцию механизмов называют коллекцией Рело-Фойгта. Сохранился каталог производившихся Г. Фойгтом кинематических моделей. Каталог состоит из двух частей. Первая часть имеет буквенно-числовую нумерацию: буква указывает на класс механизма, число — конкретный случай из этого класса. Во второй части каталога нумерация чисто числовая. В коллекции Санкт-Петербургского университета насчитывается около 40 исторических моделей Рело-Фойгта. Модели Рело становятся все более и более известными благодаря сайтам многих технических университетов разных стран и их популяризации, например, Корнелльский университет (США).

Также в коллекцию моделей механизмов Кабинета практической механики (конца ХIХ — начала XX века) входят модели, изготовленные в Швейцарии, в Париже; кинематические модели из каталога М. Шиллинга (1903-1911 годы).

Коллекция продолжала пополняться и в XX веке. Продолжается работа по собиранию экспонатов и приборов, находящихся на кафедрах и в бывших лабораториях институтов физического и математико-механического факультетов: научно-исследовательского института математики и механики имени академика В. И. Смирнова, института астрономии имени академика В. В. Соболева, института информационных технологий. Коллекция имеет несомненную историко-культурную ценность. Через нее студенты и школьники знакомятся с вехами развития физики, математики, механики и астрономии.

Музейные программы и экскурсии

Урок в музее «Замечательные математические кривые (эллипс, циклоида, кардиоида, трохоида)»
  • Аудитория:7—11 классы
  • Продолжительность:45 мин

Во время урока в музее учащиеся услышат рассказ о математических кривых: эллипсе, циклоиде, кардиоиде, трохоиде, а также об ученых-математиках, исследовавших эти кривые. Ребята увидят кинематические модели 19 в., демонстрирующие построение этих кривых. Одна из моделей является прообразом детской игрушки «Спирограф». При помощи спирогафа можно будет на листе бумаги нарисовать различные трохоиды и сравнить их с теми кривыми, которые демонстрируются моделями механизмов.

Купить билет на программу

Музейная программа, осуществляемая только по предварительной записи; на данную программа льготы не распространяются.

Говорите физика: Что такое поперечное сечение?

Представьте себе два бильярдных шара, катящихся навстречу друг другу. Вероятность столкновения зависит от простых для понимания концепций: насколько они велики? Насколько точно они нацелены?

Когда вы начинаете говорить о вероятности столкновения частиц, все становится сложнее. Вот почему физики используют термин «поперечное сечение».

В отличие от твердых объектов, элементарные частицы сами по себе ведут себя как крошечные волны вероятности.

И их взаимодействие не ограничивается физическим ударом. Частицы могут взаимодействовать на расстоянии, например, посредством электромагнитной силы или силы тяжести. Некоторые частицы, такие как нейтрино, редко взаимодействуют посредством слабого взаимодействия. Вы можете представить их как голограммы бильярдных шаров, которые иногда переходят в твердое состояние.

Упругая реакция

В физике сечение описывает вероятность взаимодействия двух частиц при определенных условиях.Эти условия включают, например, количество частиц в луче, угол, под которым они попадают в цель, и из чего состоит цель.

«Поперечные сечения связывают теорию с реальностью», – говорит Херардо Эррера, исследователь из Центра исследований и перспективных исследований Национального политехнического института в Мехико и соавтор эксперимента ALICE на Большом адронном коллайдере. «Они дают представление об основных свойствах частиц. В этом их величайшая польза.”

Поперечные сечения бывают разных видов. Они могут помочь описать, что происходит, когда частица попадает в ядро. В упругих реакциях частицы отскакивают друг от друга, но сохраняют свою идентичность, как два рикошетящих биллиардных шара. В неупругих реакциях одна или несколько частиц разлетаются на части, как бильярдный шар, пораженный пулей. В резонансном состоянии появляются короткоживущие виртуальные частицы.

Неупругая реакция

Эти измерения одного или нескольких аспектов взаимодействия называются дифференциальными сечениями, а итоги всех этих реакций вместе называются полными сечениями.

Физики представляют поперечные сечения в уравнениях греческой буквой сигма (σ). Но после того, как они были измерены в реальных столкновениях, их данные можно представить в виде таких цифр:

Хорхе Г. Морфин, Хуан Ньевесб, Ян Т. Собчик

Этот график взят из статьи о взаимодействиях между нейтрино и атомными ядрами. Вертикальная ось представляет собой вероятность различных реакций (измеряется в квадратных сантиметрах по сравнению с гигаэлектронвольтами), а горизонтальная ось представляет энергию приходящих нейтрино (измеряется в гигаэлектронвольтах).Электронвольт – это мера энергии, основанная на количестве энергии, которую электрон получает после ускорения 1 вольт электричества.

Изображение выше говорит нам, например, что при энергии 10 гигаэлектронвольт наиболее вероятным результатом будет глубоко неупругое рассеяние (зеленая линия), за которым следует резонансное состояние (красная линия) и, наконец, квази-неупругое рассеяние. -упругое событие (синяя линия). Черная кривая представляет полное поперечное сечение. Планки погрешностей (тонкие линии, идущие вбок и вверх ногами) указывают предполагаемую точность каждого измерения.

«На этом рисунке вы видите попытку найти общий способ отображения сложных экспериментальных результатов. Этот график показывает, как мы разделяем события, которые обнаруживаем в наших детекторах », – говорит Хорхе Морфин, старший научный сотрудник Fermilab и один из основных авторов статьи.

По словам Морфина, сечения

используются для передачи результатов исследователям с общими интересами. Таким образом, предыдущий поперечный разрез служит способом сравнения данных, полученных в лабораториях, которые используют различные методы измерения и ядерные мишени, такие как NOMAD (ЦЕРН), SciBooNE (Фермилаб) и T2K (Япония).

Ученые, изучающие астрофизику, квантовую хромодинамику, физическую химию и даже нанонауку, используют эти виды графиков, чтобы понять, как частицы распадаются, поглощают энергию и взаимодействуют друг с другом.

Состояние резонанса

«Они устанавливают так много связей с различными научными областями и текущими исследованиями, – говорит Том Абель, вычислительный космолог из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Стэнфордского университета.

В поисках темной материи, например, исследователи исследуют, взаимодействуют ли частицы так, как предсказывают теоретики.

«Мы ищем взаимодействия между частицами темной материи и тяжелыми ядрами, или частицы темной материи, взаимодействующие друг с другом», – говорит Абель. «Все это выражено в поперечных сечениях».

Если они видят взаимодействия, отличные от ожидаемых, это может быть признаком влияния чего-то невидимого – например, темной материи.

В мире, где правят вероятность и неопределенность, Эррера отмечает, что концепции квантовой механики могут быть трудными для понимания.«Но сечения – очень ощутимый элемент, – говорит он, – и одно из самых важных измерений в физике высоких энергий».

Используйте диалоговое окно печати браузера, чтобы создать PDF-файл.

Физика (Раздел B) | Американская ассоциация развития науки

РУКОВОДЯЩАЯ ГРУППА СЕКЦИИ
Руководящая группа секции состоит из секретаря, председательствующего и других членов.

Стул

Барбара А. Джонс (2018)
Исследовательский центр IBM в Альмадене
[email protected]

Электр. Председатель

Дэвид Д. Авшалом (2018)
Чикагский университет
[email protected]

Кресло для выхода на пенсию

Грег Бобингер (2018)
Национальная лаборатория сильных магнитных полей
Государственный университет Флориды
[email protected]

Секретарь

Роберт (Боб) Экке (2020)
Лос-Аламосская национальная лаборатория
ecke @ lanl.gov

Расширенные члены

Лене Вестергаард Хау (2018)
Гарвардский университет
[email protected]

Линн Р. Комински (2019)
Государственный университет Сономы
[email protected]

Эндрю Миллис (2020)
Колумбийский университет
[email protected]

Габриэла Гонсалес (2021 г.)
Государственный университет Луизианы
[email protected]

СОВЕТ ДЕЛЕГАТОВ

Нора Берра (2018)
Университет Коннектикута
Нора[email protected]

Э. Дэн Дальберг (2019)
Университет Миннесоты
[email protected]

ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ НОМИНАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ (ENC)

Грег Бобингер (2018)
Национальная лаборатория сильных магнитных полей
Государственный университет Флориды
[email protected]

Гейл Хэнсон (2018)
Калифорнийский университет, Риверсайд
[email protected]

М. Кристина Маркетти (2018)
Сиракузский университет
мкм @ Physics.syr.edu

Салли Доусон (2019)
Брукхейвенская национальная лаборатория
[email protected]

П. Крис Хаммел (2019)
Государственный университет Огайо
[email protected]

Арджун Дж. Йод (2020)
Пенсильванский университет
[email protected]

Клэр Ю (2020)
Калифорнийский университет, Ирвин
[email protected]

Примечание: Срок действия истекает в последний день годового собрания, проводимого в году, указанном в скобках.

1.1 Физика: определения и приложения – Физика

Задачи обучения разделу

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Опишите определение, цели и разделы физики
  • Опишите и проведите различие между классической физикой и современной физикой и опишите важность теории относительности, квантовой механики и релятивистской квантовой механики в современной физике
  • Опишите, как аспекты физики используются в других науках (например,г., биология, химия, геология и др.), а также в бытовой технике

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (2) Научные процессы. Студент использует системный подход к ответам на вопросы научных лабораторий и полевых исследований. Ожидается, что студент:
    • (A) знать определение науки и понимать, что оно имеет ограничения, указанные в подразделе (b) (2) этого раздела;
  • (3) Научные процессы.Учащийся использует критическое мышление, научные рассуждения и решение проблем, чтобы принимать обоснованные решения в классе и за его пределами. Ожидается, что студент:
    • (A) во всех областях науки анализировать, оценивать и критиковать научные объяснения с использованием эмпирических данных, логических рассуждений, экспериментальных и наблюдательных проверок, включая изучение всех сторон научных свидетельств этих научных объяснений, чтобы поощрять критическое мышление посредством студент.
    • (B) передавать и применять научную информацию, полученную из различных источников, таких как текущие события, новостные отчеты, опубликованные журнальные статьи и маркетинговые материалы;
    • (C) делать выводы на основе данных, касающихся рекламных материалов для продуктов и услуг;
    • (D) объяснять влияние научного вклада различных исторических и современных ученых на научную мысль и общество.

Раздел Основные термины

атом классическая физика современная физика
физика квантовая механика теория относительности

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Чтобы помочь удовлетворить мультимодальные потребности классных комнат сегодня, OpenStax Tutor Physics предоставляет советы по поддержке учителей на уровне [OL], ниже уровня [BL] и выше уровня [AL] студенты.

[OL] Предварительная оценка по этому разделу может включать в себя вопросы учащихся об определении материи, атомов, электронов, протонов, нейтронов, субатомных частиц и энергии. Студентов также можно попросить назвать некоторых выдающихся классиков и современных физиков и описать некоторые из их работ в общих чертах.

[OL] Введение и вводная картинка предназначены для того, чтобы показать студентам, что физические законы, управляющие их повседневным окружением, также управляют движением звезд в галактике.Учителя могут спросить студентов, как гравитация влияет на жизнь на Земле. Студенты, вероятно, упомянут, как гравитация удерживает нас на поверхности Земли. При необходимости предложите им подумать также об орбитальном движении Земли вокруг Солнца. Это движение позволяет Земле наслаждаться теплом солнечного света. Без гравитации Солнца Земля продолжала бы двигаться по прямой линии и удалялась от Солнца, в то время как люди отрывались бы от поверхности Земли. Орбита Луны также может быть включена в это обсуждение, потому что гравитация Земли заставляет Луну двигаться вокруг Земли, а не продолжать движение по прямому пути.

Что такое физика

Подумайте обо всех технологических устройствах, которые вы используете регулярно. На ум могут прийти компьютеры, беспроводной Интернет, смартфоны, планшеты, система глобального позиционирования (GPS), MP3-плееры и спутниковое радио. Затем подумайте о самых захватывающих современных технологиях, о которых вы слышали в новостях, таких как поезда, которые парят над своими рельсами, плащи-невидимки , которые излучают свет вокруг них, и микроскопических роботов, которые борются с больными клетками нашего тела.Все эти новаторские достижения основаны на принципах физики.

Физика – это отрасль науки. Слово наука происходит от латинского слова, которое означает , обладающее знанием , и относится к знанию того, как работает физический мир, на основе объективных свидетельств, определенных посредством наблюдений и экспериментов. Ключевым требованием любого научного объяснения природного явления является то, что оно должно быть проверено; нужно уметь разработать и провести экспериментальное исследование, которое либо поддерживает, либо опровергает это объяснение.Важно отметить, что некоторые вопросы выходят за рамки науки именно потому, что они имеют дело с явлениями, которые не поддаются научной проверке. Эта потребность в объективных доказательствах помогает определить процесс расследования, которому следуют ученые, который будет описан позже в этой главе.

Физика – это наука, направленная на описание фундаментальных аспектов нашей Вселенной. Это включает в себя, что в нем находится, какие свойства этих вещей заметны и каким процессам подвергаются эти предметы или их свойства.Проще говоря, физика пытается описать основные механизмы, которые заставляют нашу Вселенную вести себя именно так. Например, рассмотрим смартфон (рис. 1.2). Физика описывает, как электрический ток взаимодействует с различными цепями внутри устройства. Эти знания помогают инженерам выбрать подходящие материалы и схему схемы при сборке смартфона. Далее рассмотрим GPS. Физика описывает взаимосвязь между скоростью объекта, расстоянием, на которое он проходит, и временем, которое требуется, чтобы пройти это расстояние.Когда вы используете устройство GPS в транспортном средстве, оно использует эти физические взаимосвязи для определения времени в пути из одного места в другое.

Рис. 1.2 Физика описывает способ прохождения электрического заряда через цепи этого устройства. Инженеры используют свои знания физики для создания смартфона с функциями, которые понравятся потребителям, например, с функцией GPS. GPS использует уравнения физики для определения времени в пути между двумя точками на карте. (@gletham GIS, Social, Mobile Tech Images)

Teacher Support

Teacher Support

[AL] Спросите, какие части сотового телефона должны содержать токопроводящие материалы (провода, печатные платы и т. д.)) по сравнению с изоляционными материалами (например, в местах, где электрическая изоляция не позволяет людям прикасаться к электрическим цепям внутри телефона).

[AL] Вы можете углубиться в использование GPS на этом этапе, определив скорость = расстояние / время, обсудив триангуляцию и / или обсудив прямую видимость.

По мере того, как наша технология развивалась на протяжении веков, физика расширилась во многие области. Древние люди могли изучать только то, что они могли видеть невооруженным глазом или иным образом испытать без помощи научного оборудования.Это включало изучение кинематики, то есть изучение движущихся объектов. Например, древние люди часто изучали видимое движение объектов на небе, таких как солнце, луна и звезды. Это очевидно при строительстве доисторических астрономических обсерваторий, таких как Стоунхендж в Англии (показано на рис. 1.3).

Рис. 1.3 Стоунхендж – памятник, расположенный в Англии, построенный между 3000 и 1000 годами до нашей эры. Он функционирует как древняя астрономическая обсерватория, а некоторые камни в памятнике соответствуют положению солнца во время летнего и зимнего солнцестояния.Другие камни совпадают с восходом и заходом луны в определенные дни года. (Citypeek, Wikimedia Commons)

Древние люди также изучали статику и динамику, которые фокусируются на том, как объекты начинают двигаться, прекращают движение и изменяют скорость и направление в ответ на силы, толкающие или притягивающие объекты. Этот ранний интерес к кинематике и динамике позволил людям изобрести простые механизмы, такие как рычаг, шкив, рампа и колесо. Эти простые машины постепенно объединялись и объединялись для производства более сложных машин, таких как вагоны и краны.Машины позволяли людям постепенно выполнять больше работы более эффективно за меньшее время, позволяя им создавать более крупные и сложные здания и сооружения, многие из которых все еще существуют с древних времен.

По мере развития технологий разделы физики стали еще более разнообразными. К ним относятся такие отрасли, как акустика, изучение звука и оптика, изучение света. В 1608 году изобретение телескопа немецким мастером по изготовлению очков Гансом Липперши привело к огромным открытиям в астрономии – изучении объектов или явлений в космосе.Год спустя, в 1609 году, Галилео Галилей начал первые исследования Солнечной системы и Вселенной с помощью телескопа. В эпоху Возрождения Исаак Ньютон использовал наблюдения Галилея, чтобы построить свои три закона движения. Эти законы были стандартом для изучения кинематики и динамики даже сегодня.

Другой важной областью физики является термодинамика, которая включает изучение тепловой энергии и передачи тепла. Джеймс Прескотт Джоуль, английский физик, изучал природу тепла и его связь с работой.Работа Джоуля помогла заложить основу первого из трех законов термодинамики, которые описывают, как энергия в нашей Вселенной передается от одного объекта к другому или трансформируется из одной формы в другую. Исследования в области термодинамики были мотивированы необходимостью сделать двигатели более эффективными, защитить людей от непогоды и сохранить пищу.

18 и 19 века также стали свидетелями больших успехов в изучении электричества и магнетизма. Электричество предполагает изучение электрических зарядов и их движения.Магнетизм давно был замечен как сила притяжения между намагниченным объектом и таким металлом, как железо, или между противоположными полюсами (северным и южным) двух намагниченных объектов. В 1820 году датский физик Ганс Кристиан Эрстед показал, что электрические токи создают магнитные поля. В 1831 году английский изобретатель Майкл Фарадей показал, что перемещение провода через магнитное поле может вызвать электрический ток. Эти исследования привели к изобретениям электродвигателя и электрогенератора, которые произвели революцию в жизни человека, привнеся в наши машины электричество и магнетизм.

Конец 19 -го века ознаменовался открытием радиоактивных веществ французскими учеными Мари и Пьером Кюри. Ядерная физика предполагает изучение ядер атомов, источника ядерного излучения. В 20, -м, -м веке изучение ядерной физики в конечном итоге привело к способности расщеплять ядро ​​атома, этот процесс получил название ядерного деления. Этот процесс лежит в основе атомных электростанций и ядерного оружия. Кроме того, область квантовой механики, которая включает в себя механику атомов и молекул, достигла больших успехов в 20 веках, поскольку наше понимание атомов и субатомных частиц расширилось (см. Ниже).

В начале 90–274 годов века Альберт Эйнштейн произвел революцию в нескольких областях физики, особенно в теории относительности. Относительность произвела революцию в нашем понимании движения и Вселенной в целом, как будет описано далее в этой главе. Теперь, в 21, и годах, физики продолжают изучать эти и многие другие разделы физики.

Изучая наиболее важные темы физики, вы приобретете аналитические способности, которые позволят вам применять физику далеко за пределами того, что может быть включено в одну книгу.Эти аналитические навыки помогут вам преуспеть в учебе, а также помогут критически мыслить в любой карьере, которую вы выберете.

Физика: прошлое и настоящее

Считается, что слово «физика» произошло от греческого слова phusis , означающего «природа». Позже изучение природы было названо натурфилософией . С древних времен до эпохи Возрождения натурфилософия охватывала множество областей, включая астрономию, биологию, химию, математику и медицину.За последние несколько столетий рост научного знания привел к постоянно растущей специализации и разветвлению натурфилософии на отдельные области, при этом физика сохранила самые основные аспекты. Физика в том виде, в котором она развивалась с эпохи Возрождения до конца 19, -го, века, называется классической физикой. Революционные открытия, начавшиеся в начале 20-го, -го, -го века, превратили физику из классической физики в современную физику.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [EL] Изучающим английский язык может потребоваться философия и классическая , определенная в этом разделе.Свяжите определение классической физики с использованием слова классический в контексте, который, вероятно, более знаком студентам, например, в классических фильмах.

Классическая физика не является точным описанием Вселенной, но это отличное приближение при следующих условиях: (1) материя должна двигаться со скоростью менее примерно 1 процента от скорости света, (2) объекты, с которыми имеют дело должен быть достаточно большим, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, и (3) может быть задействована только слабая гравитация, например, создаваемая Землей.Очень маленькие объекты, такие как атомы и молекулы, не могут быть адекватно объяснены классической физикой. Эти три условия применимы практически ко всему повседневному опыту. В результате большинство аспектов классической физики должны иметь смысл на интуитивном уровне.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[OL] Чтобы лучше понять опыт учащихся, выразите скорость света в единицах, используемых при вождении автомобиля, например, 1,080 миллиона км / ч или 671 миллион миль в час. Сравните это с примерно восьмиминутным путешествием, которое требуется свету, чтобы пройти 150 миллиардов километров (93 миллиарда миль) от Солнца до Земли.

Многие законы классической физики были изменены в течение 90–274-х годов века, что привело к революционным изменениям в технологиях, обществе и нашем взгляде на Вселенную. В результате многие аспекты современной физики, которые выходят за рамки нашего повседневного опыта, могут показаться странными или невероятными. Так почему же большая часть этого учебника посвящена классической физике? Есть две основные причины. Во-первых, знание классической физики необходимо для понимания современной физики.Вторая причина заключается в том, что классическая физика по-прежнему дает точное описание Вселенной в широком диапазоне повседневных обстоятельств.

Современная физика включает две революционные теории: относительность и квантовую механику. Эти теории имеют дело с очень быстрым и очень маленьким соответственно. Теория относительности была разработана Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Изучая, как два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, будут видеть одни и те же явления, Эйнштейн разработал радикально новые идеи о времени и пространстве.Он пришел к поразительному выводу, что измеренная длина объекта, движущегося с высокой скоростью (более одного процента от скорости света), короче, чем длина того же объекта, измеренная в состоянии покоя. Возможно, еще более странным является представление о том, что время для одного и того же процесса различается в зависимости от движения наблюдателя. Время течет медленнее для объекта, движущегося с высокой скоростью. Путешествие к ближайшей звездной системе, Альфе Центавра, может занять у астронавта 4,5 земных года, если корабль движется со скоростью, близкой к скорости света.Однако из-за того, что время замедляется с большей скоростью, астронавт за время полета постареет всего на 0,5 года. Идеи относительности Эйнштейна были приняты после того, как они были подтверждены многочисленными экспериментами.

Гравитация, сила, удерживающая нас на Земле, также может влиять на время и пространство. Например, на поверхности Земли время течет медленнее, чем для объектов, находящихся дальше от поверхности, таких как спутник на орбите. Очень точные часы на спутниках глобального позиционирования должны это исправить.Они медленно опережают часы на поверхности Земли. Это называется замедлением времени и происходит потому, что гравитация, по сути, замедляет время.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL] Говоря о том, что время течет медленнее при скоростях, близких к свету или при высокой гравитации, важно отметить, что люди в обоих местах воспринимают секунду как один и тот же отрезок времени.

Большие объекты, такие как Земля, обладают достаточно сильной гравитацией, чтобы искажать пространство. Чтобы визуализировать эту идею, представьте шар для боулинга, установленный на батуте.Шар для боулинга вдавливает или искривляет поверхность батута. Если вы катите шарик по батуту, он будет следовать за поверхностью батута, скатится в углубление, образованное шаром для боулинга, и ударит по мячу. Точно так же Земля изгибает пространство вокруг себя в форме воронки. Эти кривые в космосе из-за Земли заставляют объекты притягиваться к Земле (то есть гравитация).

Из-за того, как гравитация влияет на пространство и время, Эйнштейн заявил, что гравитация влияет на пространственно-временной континуум, как показано на рисунке 1.4. Вот почему время у поверхности Земли течет медленнее, чем на орбите. В черных дырах, гравитация которых в сотни раз больше земной, время течет так медленно, что далекому наблюдателю могло показаться, что оно остановилось!

Рис. 1.4 Теория относительности Эйнштейна описывает пространство и время как переплетенную сетку. Большие объекты, такие как планета, искажают пространство, заставляя объекты падать на планету под действием силы тяжести. Крупные объекты также искажают время, заставляя время течь медленнее у поверхности Земли по сравнению с областью за пределами искаженной области пространства-времени.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL] Черные дыры намного плотнее и массивнее Земли. Чем больше масса объекта, тем сильнее создаваемое им гравитационное поле и тем сильнее гравитация замедляет время.

Таким образом, теория относительности утверждает, что при описании Вселенной важно понимать, что время, пространство и скорость не абсолютны. Вместо этого они могут казаться разными для разных наблюдателей. Способность Эйнштейна обосновывать теорию относительности еще более удивительна, потому что мы не можем видеть эффекты относительности в нашей повседневной жизни.

Квантовая механика – вторая важная теория современной физики. Квантовая механика имеет дело с очень маленькими, а именно с субатомными частицами, из которых состоят атомы. Атомы (рис. 1.5) – это мельчайшие единицы элементов. Однако сами атомы состоят из еще более мелких субатомных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны. Квантовая механика стремится описать свойства и поведение этих и других субатомных частиц. Часто эти частицы ведут себя не так, как ожидает классическая физика.Одна из причин этого в том, что они достаточно малы, чтобы двигаться с огромной скоростью, близкой к скорости света.

Рис. 1.5. Используя сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), ученые могут видеть отдельные атомы, составляющие этот лист золота. (Erwinrossen)

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[OL] [AL] Оцените предыдущие знания о субатомных частицах, спросив учащихся, слышали ли они о протонах, электронах, нейтронах, а также о кварках, частицах Хиггса-бозона и скоро.

[AL] Сканирующие электронные микроскопы генерируют высокодетализированные виды поверхности объектов, таких как показано на рисунке 1.5. Они сканируют поверхность объекта пучками электронов, чтобы определить микроскопическую топографию объекта.

На коллайдерах частиц (рис. 1.6), таких как Большой адронный коллайдер на французско-швейцарской границе, физики элементарных частиц могут заставить субатомные частицы перемещаться с очень высокой скоростью в сверхпроводящем туннеле длиной 27 километров (17 миль). Затем они могут изучать свойства частиц на высоких скоростях, а также сталкивать их друг с другом, чтобы увидеть, как они обмениваются энергией.Это привело ко многим интригующим открытиям, таким как частица Хиггса-Бозона, которая придает материи свойство массы, и антивещество, которое вызывает огромное выделение энергии при контакте с веществом.

Рис. 1.6 Коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер в Швейцарии или Фермилаб в США (на фото), имеют длинные туннели, которые позволяют субатомным частицам ускоряться до скорости, близкой к световой. (Andrius.v)

В настоящее время физики пытаются объединить две теории современной физики, теорию относительности и квантовую механику, в единую всеобъемлющую теорию, называемую релятивистской квантовой механикой.Связывание поведения субатомных частиц с гравитацией, временем и пространством позволит нам объяснить, как устроена Вселенная, в гораздо более полной мере.

Применение физики

Чтобы использовать физику, не нужно быть ученым. Напротив, знание физики полезно в повседневных ситуациях, а также в ненаучных профессиях. Например, физика может помочь вам понять, почему не следует помещать металл в микроволновую печь (рис. 1.7), почему черный автомобильный радиатор помогает отводить тепло в двигателе автомобиля и почему белая крыша помогает сохранять прохладу внутри дома.Работу системы зажигания автомобиля, а также передачу электрических сигналов через нашу нервную систему гораздо легче понять, если подумать о них с точки зрения базовой физики электричества.

Рис. 1.7 Почему нельзя класть металл в микроволновую печь? Микроволны – это высокоэнергетическое излучение, которое увеличивает движение электронов в металле. Эти движущиеся электроны могут создавать электрический ток, вызывая искрение, которое может привести к пожару. (= MoneyBlogNewz)

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[AL] Опасно класть металл в микроволновую печь, потому что металл отражает микроволны, которые, когда они свободно колеблются вокруг духовки, могут повредить духовку.Кроме того, металл в микроволновой печи сильно нагревается и начинает генерировать электрическое поле. Это электрическое поле ионизирует воздух, окружающий металл, создавая искры.

Физика – основа многих важных научных дисциплин. Например, химия занимается взаимодействием атомов и молекул. Неудивительно, что химия уходит корнями в атомную и молекулярную физику. Большинство областей техники также относятся к прикладной физике. В архитектуре физика лежит в основе определения структурной устойчивости, акустики, отопления, освещения и охлаждения зданий.Части геологии, изучение неживых частей Земли, во многом опираются на физику; включая радиоактивное датирование, анализ землетрясений и теплопередачу через поверхность Земли. Действительно, некоторые дисциплины, такие как биофизика и геофизика, представляют собой гибриды физики и других дисциплин.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [EL] Студентам может потребоваться акустика для объяснения свойств комнаты или конструкции, которые определяют, как звук передается в ней.

Физика также описывает химические процессы, которые приводят в действие человеческое тело. Физика участвует в медицинской диагностике, такой как рентген, магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковые измерения кровотока (рис. 1.8). Лечебная терапия У физики также есть множество приложений в биологии, в изучении жизни. Например, физика описывает, как клетки могут защитить себя, используя свои клеточные стенки и клеточные мембраны (рис. 1.9). Медицинская терапия иногда напрямую связана с физикой, например, с использованием рентгеновских лучей для диагностики состояний здоровья.Физика также может объяснить то, что мы воспринимаем нашими чувствами, например, как уши улавливают звук или глаза определяют цвет.

Рис. 1.8 Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует электромагнитные волны для получения изображения мозга, которое врачи могут использовать для поиска пораженных участков. (Рашми Чавла, Дэниел Смит и Пол Э. Марик)

Рис. 1.9 Физика, химия и биология помогают описать свойства клеточных стенок в клетках растений, таких как клетки лука, показанные здесь. (Умберто Сальваньин)

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] Клеточные мембраны (присутствующие в клетках всех организмов) контролируют перенос материалов в клетку и из клетки.Клеточные стенки (обнаруженные в клетках растений, клетках грибов, бактерий и микробов, похожих на растения) в основном обеспечивают структуру и поддержку.

[AL] Рентгеновские лучи легко проникают через кожу и мягкие ткани, но в гораздо большей степени поглощаются костями. Это создает изображение, на котором кости внутри тела четко видны, а мягкие ткани – нет. МРТ сканирует магнитные свойства атомов внутри тела, позволяя визуализировать твердые и пустые области внутри тела. Ультразвуковые измерения кровотока используют звуковые волны и эффект Доплера для измерения скорости и объема кровотока.

Безграничная физика

Физика посадки на комету

12 ноября 2014 года космический аппарат Rosetta Европейского космического агентства (показан на рис. 1.10) первым из когда-либо достигших орбиты кометы. Вскоре после этого на комету приземлился марсоход Розетты, Philae, что стало первым случаем, когда люди приземлили космический зонд на комету.

Рис. 1.10 Космический аппарат Rosetta с его большими революционными солнечными батареями доставил посадочный модуль Philae к комете.Затем спускаемый аппарат отделился и приземлился на поверхность кометы. (Европейское космическое агентство)

Пролетев 6,4 миллиарда километров с момента запуска на Землю, Розетта приземлилась на комете 67P / Чурюмова-Герасименко, ширина которой составляет всего 4 километра. Физика была необходима, чтобы успешно проложить курс к такой маленькой, далекой и быстро движущейся цели. Путь Розетты к комете был непростым. Зонд сначала должен был отправиться на Марс, чтобы гравитация Марса могла ускорить его и отклонить в точном направлении к комете.

Это был не первый раз, когда люди использовали гравитацию для питания наших космических кораблей. Космический зонд «Вояджер-2», запущенный в 1977 году, использовал гравитацию Сатурна для рогатки над Ураном и Нептуном (проиллюстрирован на рисунке 1.11), предоставив первые фотографии этих планет. Теперь, спустя почти 40 лет после своего запуска, “Вояджер-2” находится на самом краю нашей Солнечной системы и вот-вот войдет в межзвездное пространство. Его родственный корабль «Вояджер-1» (показан на рис. 1.11), который также был спущен на воду в 1977 году, уже там.

Чтобы послушать звуки межзвездного пространства или увидеть изображения, переданные обратно с “Вояджера I”, или узнать больше о миссии “Вояджер”, посетите веб-сайт миссии “Вояджер”.

Рис. 1.11 а) “Вояджер-2”, запущенный в 1977 году, использовал силу притяжения Сатурна, чтобы перелететь к Урану и Нептуну. НАСА б) Визуализация «Вояджера-1», первого космического зонда, когда-либо покинувшего нашу солнечную систему и вошедшего в межзвездное пространство. NASA

У обоих «Вояджеров» есть генераторы электроэнергии, основанные на распаде радиоизотопов.Эти генераторы служат им почти 40 лет. Розетта, с другой стороны, работает на солнечной энергии. Фактически, Rosetta стала первым космическим зондом, который вышел за пределы пояса астероидов, полагаясь только на солнечные батареи для выработки энергии.

Находясь в 800 миллионах километров от Солнца, Розетта получает солнечный свет, который всего на 4 процента сильнее, чем на Земле. К тому же в космосе очень холодно. Поэтому много физиков ушло на разработку низкотемпературных солнечных элементов Rosetta.

В этом смысле проект Rosetta прекрасно показывает огромный диапазон тем, охватываемых физикой: от моделирования движения гигантских планет на огромные расстояния в пределах наших солнечных систем до обучения выработке электроэнергии из света низкой интенсивности. На сегодняшний день физика – это самая обширная область науки.

Захват

Какие характеристики солнечной системы необходимо было узнать или рассчитать, чтобы отправить зонд на далекую планету, например, на Юпитер?

  1. эффекты, обусловленные светом далеких звезд
  2. Воздух в солнечной системе
  3. эффекты гравитации от других планет
  4. Эффекты космического микроволнового фонового излучения

Поддержка учителей

Поддержка учителей

В этом отрывке описывается физика, лежащая в основе перемещения зондов Rosetta и Voyager через Солнечную систему с помощью выстрелов с помощью гравитационной пращи.Кроме того, сравнивается физика систем питания этих зондов. Это сделано для того, чтобы укрепить применимость физики в широких пределах, от огромных расстояний в нашей Вселенной до крошечных размеров субатомных частиц.

Ответы на проверку хватки могут отличаться. Пример ответа: вам нужно знать, как движется целевая планета, чтобы узнать, когда запустить зонд, чтобы он действительно достиг планеты. Вам также необходимо знать и учитывать влияние гравитации других планет на пути, пройденном во время его путешествия.

Таким образом, физика изучает многие из самых основных аспектов науки. Следовательно, знание физики необходимо для понимания всех других наук. Это потому, что физика объясняет самые основные способы работы нашей Вселенной. Однако формально изучать все приложения физики необязательно. Знание основных законов физики будет очень полезно для вас, чтобы вы могли использовать их для решения некоторых повседневных задач. Таким образом, изучение физики может улучшить ваши навыки решения проблем.

Проверьте свое понимание

1.

Что из следующего не является существенной чертой научного объяснения?

  1. Они должны пройти тестирование.
  2. Они строго относятся к физическому миру.
  3. Об их достоверности судят на основании объективных наблюдений.
  4. После того, как они подтверждены наблюдением, они могут рассматриваться как факт.
2.

Какой из следующих вопросов , а не представляет собой вопрос, на который наука может дать ответ?

  1. Сколько энергии выделяется в данной цепной ядерной реакции?
  2. Можно ли контролировать цепную ядерную реакцию?
  3. Следует ли использовать неконтролируемые ядерные реакции в военных целях?
  4. Каков период полураспада отходов ядерной реакции?
3.

Каковы три условия, при которых классическая физика дает прекрасное описание нашей Вселенной?

    1. Материя движется со скоростью менее 1 процента от скорости света
    2. Обрабатываемые предметы должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
    3. Задействованы сильные электромагнитные поля.
    1. Материя движется со скоростью менее 1 процента скорости света.
    2. Обрабатываемые предметы должны быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
    3. Речь идет только о слабых гравитационных полях.
    1. Материя движется с огромной скоростью, сравнимой со скоростью света.
    2. Объекты, с которыми приходится иметь дело, достаточно большие, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
    3. Задействованы сильные гравитационные поля.
    1. Материя движется с огромной скоростью, сравнимой со скоростью света.
    2. Объекты достаточно большие, чтобы их можно было увидеть в самый мощный телескоп.
    3. Речь идет только о слабых гравитационных полях.
4.

Почему греческое слово «природа» подходит для описания области физики?

  1. Физика – это естественная наука, изучающая жизнь и живые организмы на обитаемых планетах, таких как Земля.
  2. Физика – это естественная наука, изучающая законы и принципы нашей Вселенной.
  3. Физика – это физическая наука, изучающая состав, структуру и изменения материи в нашей Вселенной.
  4. Физика – это социальная наука, изучающая социальное поведение живых существ на обитаемых планетах, таких как Земля.
5.

Какой аспект Вселенной изучает квантовая механика?

  1. объекта на галактическом уровне
  2. объекта на классическом уровне
  3. объекта на субатомном уровне
  4. объекта на всех уровнях, от субатомного до галактического

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Используйте вопросы «Проверьте свое понимание», чтобы оценить усвоение учащимися целей обучения по разделам.Если учащиеся борются с определенной целью, «Проверьте свое понимание» поможет определить источник проблемы и направит учащихся к соответствующему содержанию.

Класс физики

Мы завершили версию 2.1 приложения Minds On Physics. Пользователям смартфонов, планшетов, Chromebook и компьютеров Apple понравится использовать эту замечательную программу на своих устройствах. Это переделка наших популярных интернет-модулей Minds On Physics … на стероидах. Узнайте о нашем захватывающем проекте и начните MOP-ping на своем телефоне, планшете, Chromebook и Mac.Студенты оценят немедленную обратную связь, помощь по конкретным вопросам и неоднократные возможности исправить неправильные представления. Учителя оценят подробные отчеты об успеваемости, предоставляемые версией приложения нашей программы Minds On Physics.

Minds On Physics – Legacy Version – это браузерная, зависящая от Shockwave версия приложения Minds On Physics. Основываясь на плагине Shockwave и наборе тщательно составленных вопросов, унаследованная версия MOP стремится улучшить представления студентов о физике.Эта программа Shockwave, ранее называвшаяся Интернет-модулями Minds On Physics, сочетает в себе модули интерактивных вопросов с учебными ресурсами в Интернете, чтобы вовлечь учащихся в упражнения на мышление, размышление и обучение. Студентам понравится использовать их на практике, а учителя могут использовать их в качестве домашних заданий.

Minds On Physics – Версия 5 находится в стадии разработки. Эта HTML5-версия Minds On Physics заменит наши версии для приложений и устаревшие версии.Это будет наша лучшая на сегодняшний день версия «Мысли о физике». Будет полнофункциональная бесплатная версия и платная версия, которая легко интегрируется с нашей системой отслеживания задач и предлагает некоторые довольно заманчивые функции. Взгляните и посмотрите, как он вырастет до августа 2021 года.

С задачами, ответами и решениями The Calculator Pad предлагает начинающим студентам-физикам возможность пройти самую страшную часть курса физики – словесные задачи по физике. Каждая проблема сопровождается скрытым ответом, который можно раскрыть, нажав кнопку.И каждое решение с аудиогидом не только объясняет, как решить конкретную проблему, но и описывает привычки, которые можно использовать для решения любой проблемы.

Набор страниц с вопросами и ответами / объяснениями, которые служат в качестве обзоров или практических занятий. Каждый обзор дополняет главу из Учебного пособия по физике.

Разнообразные страницы вопросов и ответов, посвященные конкретным концепциям и навыкам. Темы варьируются от графического анализа движения и рисования диаграмм свободных тел до обсуждения векторов и сложения векторов.

Обращение ко всем старшеклассникам: вы доверили Классу физики подготовиться к экзамену по физике. Почему бы не доверить нам помощь в подготовке к самому важному экзамену года – тесту ACT? Верно. Позвольте TPC помочь вам с ACT.

Письма о физическом осмотре – Рекомендации по выбору раздела для писем о физическом осмотре

L0 Общая физика: статистическая и квантовая механика, квантовая информация и т. Д.
L0-02: Математическая физика
L0-04: Квантовая физика и волны материи
L0-05: Квантовая информация
L0-06: Статистическая физика и термодинамика
L0-08: Инструменты и метрология
LG Гравитация и астрофизика
LG-11: Общая теория относительности и астрофизика
LG-13: квантовая гравитация и космология
L1 Элементарные частицы и поля
L1-16: Теория поля и струны
L1-18: электрослабое взаимодействие и расширения
L1-20: Физика сильного взаимодействия
L2 Ядерная физика
L2-23: Физика тяжелых ионов средних и высоких энергий
L2-25: Структура и динамика ядра
L2-27: Ядерная астрофизика
L3 Атомная, молекулярная и оптическая физика
L3-30: Динамика и структура атомов и молекул
L3-32: Атомные и молекулярные процессы во внешних полях
L3-34: Атомные и молекулярные столкновения и взаимодействия
L3-36: Квантовая оптика
L4 Нелинейная динамика, гидродинамика, классическая оптика и др.
L4-39: Лазеры и нелинейная оптика
Л4-41: Нелинейная динамика
L4-43: Классические механические системы
L4-45: гидродинамика
L5 Физика плазмы и пучка
Л5-48 – Ускорители и балки
L5-50: Лабораторные плазмы
L5-51: Атмосферная и космическая плазма
L6 Конденсированное вещество: структура и т. Д.
L6-53: Структура и свойства квантовой жидкости и твердых материалов
L6-55: Структура и свойства классических жидких и твердых материалов.
L6-57: Фазовые переходы и уравнения состояния
L6-59: Тепловой и неэлектронный перенос в конденсированных средах
L6-60: Химическая физика
Л6-61 Строение поверхностей и наноматериалов
L7 Конденсированное вещество: электронные свойства и т. Д.
L7-64: Электронная структура
L7-66: Электронный транспорт в системах с объемными конденсированными средами
L7-68: Поверхности, интерфейсы и мезоскопические системы
L7-70: Сверхпроводимость
L7-72: Магнетизм и магнитные материалы
L7-74: Оптические свойства и методы систем конденсированного состояния
L7-76: Электронный и электромагнитный заказ
L7-77 – Электронные, магнитные и сверхпроводящие устройства; Микро- и наноэлектроника
L8 Полимер, мягкое вещество, биологическая и междисциплинарная физика
L8-78: Жидкие кристаллы и полимеры
L8-80: Мягкое вещество
L8-81: Биологическая и медицинская физика
L8-83: Сети и междисциплинарная физика
L8-85: Геологическая и планетарная физика
L8-87: Физика климата

Руководство к экзамену AP Physics 1

Экзамен AP Physics 1 – это экзамен на уровне колледжа, который проводится каждый год в мае после завершения курса Advanced Placement Physics 1 в вашей средней школе.Если вы наберете достаточно высокий балл, ваш балл AP Physics может принести вам кредит в колледже!

Ознакомьтесь с нашим руководством по AP Physics 1, чтобы получить необходимую информацию об экзамене:

Что на экзамене AP Physics 1?

Совет колледжа очень подробно описывает, что, по вашему мнению, должен охватывать ваш учитель AP на вашем курсе AP Physics 1. Они объясняют, что вы должны быть знакомы со следующими темами:

  • Кинематика
  • Динамика
  • Круговое движение и гравитация
  • Энергия
  • Импульс
  • Простое гармоническое движение
  • Крутящий момент и вращательное движение
  • Электрический заряд и электрическая сила
  • Цепи постоянного тока
  • Механические волны и звук

В чем разница между AP Physics 1, 2 и C?
  • AP Physics 1 эквивалент первого семестра вводного курса колледжа по алгебре физики, охватывающего темы ньютоновской механики; работа, энергия и власть; механические волны и звук; и вводные, простые схемы.

  • AP Physics 2 – эквивалент второго семестра вводного курса колледжа, охватывающего темы механики жидкости; термодинамика; электричество и магнетизм; оптика; квантовая, атомная и ядерная физика.

  • AP Physics C: Механика и AP Physics C: Электричество и магнетизм каждый эквивалентен курсам уровня колледжа по математической физике.

AP Physics 1 Разделы и типы вопросов

Экзамен AP Physics 1 длится три часа и состоит из двух разделов: раздела с несколькими вариантами ответов и раздела с бесплатными ответами.

AP Physics 1 Раздел

Сроки

Количество вопросов

Множественный выбор

90 минут

  • 45 с одним выбором: отдельные вопросы и вопросы в наборах с одним правильным ответом
  • 5 вопросов с множественным выбором: дискретные вопросы с двумя правильными ответами

Бесплатный ответ

90 минут

  • 1 опытный образец
  • 1 качественный / количественный перевод
  • 3 коротких ответа (требуется аргумент длиной в абзац)
ИТОГО: 3 часа 55 вопросов

AP Physics 1 Множественный выбор

За каждым вопросом с одним выбором следуют четыре возможных ответа, только один из которых правильный.Для вопросов с множественным выбором необходимо выбрать два из перечисленных вариантов ответа, чтобы ответить на вопрос правильно.

AP Physics 1 Вопросы с бесплатными ответами

Раздел бесплатных ответов состоит из пяти вопросов, состоящих из нескольких частей, которые требуют, чтобы вы выписали свои решения и продемонстрировали свою работу. В отличие от раздела с множественным выбором, который оценивается компьютером, раздел бесплатного ответа оценивается учителями средней школы и колледжа. У них есть инструкции по присуждению частичных баллов, поэтому вы все равно можете получать частичные баллы, если не ответите правильно на каждую часть вопроса.

Можете ли вы использовать калькулятор на экзамене AP Physics?

Вам разрешается использовать калькулятор на всем экзамене AP Physics 1, включая разделы с множественным выбором и свободными ответами. Могут использоваться научные или графические калькуляторы при условии, что они не имеют каких-либо неутвержденных функций или возможностей (список утвержденных графических калькуляторов доступен на веб-сайте College Board).

Что находится в таблице уравнений AP Physics 1?

Таблица уравнений, обычно используемых в физике, будет предоставлена ​​вам на месте экзамена.Посмотрите, как выглядит таблица формул AP Physics 1 здесь.

Как оценивается AP Physics 1?

баллов AP указывается от 1 до 5. Колледжи обычно хотят получить 4 или 5 баллов на экзамене AP Physics I, но некоторые могут предоставить зачетные 3 балла. Вот как студенты набрали баллы на тесте в мае 2020 года:

AP Физика 1 Оценка

Значение

2020 Доля испытуемых

5

Высоко квалифицированный

8.8%

4

Хорошо квалифицированный

17,9%

3

Квалифицированный

24,8%

2

Возможно квалифицированный

26.5%

1

Нет рекомендаций

21,9%

Источник: College Board

Каждый тест имеет изогнутую форму, поэтому баллы меняются от года к году, но, как мы видим выше, в мае 2020 года около 50% тестируемых набрали 1 или 2 балла. Вам нужно усердно учиться и готовиться к этому сложному экзамену.

Как я могу подготовиться?

классов AP – это здорово, но для многих студентов этого недостаточно! Для тщательного изучения содержания и стратегии AP Biology выберите вариант подготовки AP, который лучше всего подходит для ваших целей и стиля обучения.


The Staff of Princeton Review
Более 35 лет учащиеся и семьи доверяют изданию Princeton Review помочь им попасть в школу своей мечты. Мы помогаем учащимся добиться успеха в средней школе и за ее пределами, предоставляя им ресурсы для получения более высоких оценок, более высоких результатов тестов и более сильных заявлений в колледж. Следуйте за нами в Twitter: @ThePrincetonRev.

Что мы подразумеваем под «поперечным сечением» в физике элементарных частиц?

Иногда повседневные слова используются учеными в качестве технических терминов.Одно из них – слово «ягода». Разговаривая со своим другом ботаником, я узнал, что помидоры – это ягоды, а клубника – нет – научное значение ягоды больше связано с репродуктивной структурой растения, чем с его вкусом. Термин «поперечное сечение» – это ягода физики элементарных частиц – его технический смысл сильно отличается от общепринятого.

В повседневной речи «поперечное сечение» относится к части объекта. Физик элементарных частиц может использовать это слово таким образом, но чаще оно используется для обозначения вероятности того, что две частицы столкнутся и отреагируют определенным образом.Например, когда физики CMS измеряют поперечное сечение «протон-протон-верх-антитоп», они подсчитывают, сколько пар верх-антитоп было создано, когда заданное количество протонов было запущено друг в друга.

Как физики элементарных частиц пришли к такому странному использованию понятия «поперечное сечение»? Это длинная история. На заре физики элементарных частиц частицы считались крошечными неразрушимыми шариками. Когда шарики или бильярдные шары катятся друг в друга, вероятность их столкновения пропорциональна размеру шаров, если они не нацелены точно.Субатомные частицы настолько малы, что о нацеливании отдельных частиц друг на друга не может быть и речи – лучшее, что может сделать каждый, – это выстрелить их большим количеством в одной и той же общей области. Вероятность столкновения облака снарядов – это просто отношение площади, покрытой ими, к общей площади облака. Когда Ксеркс затемнил небо стрелами в битве при Фермопилах, вероятность попасть в него стрелой была очень высока.

Ранние эксперименты со столкновениями были предназначены для измерения размера частиц по их частоте столкновений.Эксперимент Резерфорда, который столкнул альфа-частицы и ядра золота в 1911 году, показал, что ядра намного меньше, чем предполагалось ранее. Но вскоре возникли диспропорции: нейтроны с большей вероятностью столкнутся с определенными ядрами, когда они движутся медленно, чем когда они быстрые. Как будто нейтроны в полете меняют площадь своего поперечного сечения. Частицы, такие как нейтроны, на самом деле являются квантовыми облаками, которые проходят друг через друга или взаимодействуют с зависящей от энергии вероятностью – вероятность столкновения имеет мало общего с твердой площадью поперечного сечения.Несмотря на то, что твердые сферы – это неправильный мысленный образ, термин «поперечное сечение» прижился, и физики часто говорят: «это поперечное сечение зависит от энергии», хотя было бы бессмысленно представлять себе, что размер частицы действительно меняется.

Но зачем использовать «поперечное сечение», когда существуют альтернативы, такие как «вероятность» и «скорость реакции»? Поперечное сечение не зависит от интенсивности и фокуса пучков частиц, поэтому числа поперечных сечений, измеренные на одном ускорителе, можно напрямую сравнивать с числами, измеренными на другом, независимо от того, насколько мощны ускорители.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *