Теория
Слово ” физика “ произошло от греческого « physis» — природа.
Впервые оно появилось в сочинениях Аристотеля в 4 веке до нашей эры в Древней Греции. Такие ученые как Демокрит, Эпикур, Лукреций — основоположники наивного материализма считали, что весь мир состоит из мельчайших частиц — атомов и они двигаются. Однако физика, как наука, развилась как на основе этих первоначальных представлений, так и на утверждениях Галилея о том, что причиной движения является не скорость, а ускорение.
В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал в России первый учебник физики в переводе с немецкого языка.
Математика играет исключительно важную роль в физике. Без математики современная физика немыслима. Физика принадлежит к числу точных наук и выражает свои понятия и законы на математическом языке. С физикой тесно связаны и другие дисциплины, такие как неорганическая и органическая химия, теоретическая механика, электротехника, физическая химия, химия растворов, биология и медицина, а также дисциплины составляющими суть технического универсального образования такие как материаловедение, теория машин и механизмов, метрология, термодинамика, теплопередача, гидравлика, теория процессов и аппаратов, так как в них широко используются физические понятия, законы и методы исследования природных явлений, а также различные физические приборы.
В настоящее время сформировались такие науки как физика элементарных частиц, астрофизика, физика плазмы, физика ядра, квантовая электроника.
Физика бывает как экспериментальной так и теоретической.
Физика – это наука, изучающая наиболее простые, но вместе с тем наиболее общие формы движения материи и их взаимные превращения. Формы движения материи могут быть: механические, гравитационные, электромагнитные, внутриатомные и внутриядерные процессы.
Предмет исследования физики составляют общие закономерности явлений природы: механические, электрические, магнитные, тепловые, звуковые и световые.
Любые превращения вещества или проявления его свойств, происходящие без изменения состава вещества, называют физическими явлениями.
Основным методом исследования в физике является эксперимент – наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений и многократно воспроизводить его при повторении этих условий. Опыты проводят с определенной целью, по заранее обдуманному плану. Для составления такого плана лучше всего иметь предварительные догадки о том, как протекает явление, то есть выдвинуть гипотезу. Гипотеза – это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо явления и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией.
Гипотеза, успешно прошедшая экспериментальную проверку и вошедшая в систему знаний, превращается в закон или теорию. Наиболее важные законы устанавливают связь между физическими величинами, для чего необходимо эти величины измерять. Измерение физической величины есть действие, выполняемое с помощью средств измерений для нахождения значения физической величины в принятых единицах. Единицы физических величин можно выбрать произвольно, но тогда возникают трудности при их сравнении. Поэтому целесообразно ввести систему единиц, охватывающую единицы всех физических величин.
Для построения системы единиц произвольно выбирают единицы для несколько не зависящих друг от друга физических величин. Эти единицы называются основными. Остальные же величины и их единицы выводятся из законов, связывающих эти величины и их единицы с основными. Они называются производными.
В настоящее время обязательна к применению в научной, а также в учебной литературе Система Интернациональная (СИ), которая строится на семи основных единицах – метр (м), килограмм (кг), секунда (с), Ампер (А), Кельвин (К), моль, Кандела (Кд) – и двух дополнительных – радиан (рад) и стерадиан (ср).
Теория ошибок
При изучении физических закономерностей особое место отводится экспериментальным методам исследований, то есть когда какую-либо физическую величину сравнивают с некоторым эталоном. Существует специальный математический аппарат для оценки степени достоверности проведенных замеров — это так называемая теория ошибок.
Физической величиной называется характеристика свойства тела или процесса, которая может быть определена количественно в результате измерений.
Измерение физической величины заключается в сравнении ее с однородной физической величиной, условно принятой за единицу. Измерения бывают прямые и косвенные.
Прямыми измерениями называются величины, полученные в результате таких экспериментов, когда измеряемая величина сравнивается с некоторым эталоном непосредственно или с помощью приборов, отградуированных в требуемых единицах. Например, размеры тела можно непосредственно измерить линейкой, штангенциркулем, микрометром; массу тела можно найти путем прямого измерения – взвешивания на весах; продолжительность какого-либо процесса можно непосредственно измерить секундомером, а силу электрического тока в цепи – амперметром.
Прямые измерения не всегда возможны. Так, они невозможны при измерении расстояний до удаленных тел, например планет, звезд и других небесных объектов. Они невозможны и при измерении очень малых длин, например таких, с которыми имеет дело физика атома, атомного ядра или элементарных частиц. Во всех этих случаях используют косвенные измерения. Косвенными измерениями называются такие величины, которые получаются или определяются из результатов прямых измерений других величин, связанных с искомой функциональной зависимостью. Например, среднюю плотность тела можно вычислить, пользуясь результатами прямых измерений массы и объема этого тела, электрическое сопротивление проводника можно найти из законов Ома, если известны результаты прямых измерений силы тока в проводнике и напряжения на его концах.
Невозможно в результате экспериментов получить истинное значение, поэтому говорят о значениях, которым можно доверять с определенной степенью точности.
Ошибкой или погрешностью измерения называется отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Различают три вида ошибок: промахи, случайные и систематические ошибки.
Промахом или грубой ошибкой называются результаты измерений, полученные при поломке прибора или резкие отклонения от средних значений, связанные либо с ошибкой экспериментатора в отсчете или записи показаний приборов, либо с внезапными изменениями внешних условий. Обычно результаты, содержащие грубые ошибки, сильно отличаются от других данных и хорошо заметны на их фоне. Результаты измерений, соответствующих грубым ошибкам, нужно отбрасывать и взамен проводить новые измерения.
Случайной ошибкой называется ошибка, природа и величина которой неизвестна. Присутствие и наличие случайной ошибки обнаруживается при повторении эксперимента, когда меняются последние значащие цифры. Имеется два способа уменьшения случайных ошибок — это тщательность проведения опыта и проведение большого числа измерений.
Систематические ошибки — это ошибки, которые при многократном измерении одной и той же величины остаются постоянными, либо изменяются по определенному закону. Они вызывают сдвиг значений в каком-то направлении от истинного значения. Систематические погрешности возникают из-за того, что условия эксперимента отличаются от предполагаемых Теорией, а поправку на это несоответствие не делают. Другим обычным источником этих ошибок являются инструментальные погрешности. Инструментальной погрешностью называется количественное значение предельно допустимой погрешности прибора. Обычно это значение указывается в паспорте прибора, в случае, если этот показатель отсутствует, под точностью прибора понимают половину цены деления шкалы прибора. Исключение систематических ошибок достигается путем применения более точных средств измерения, либо изменением метода измерения.
Цена деления прибора – это наименьшее значение, которое может измерить данное измерительное устройство.
Источник