La física es el estudio de las formas básicas, propiedades, movimiento y transformación, estructura interna, etc. de la materia en el universo, con el fin de comprender los componentes de estas estructuras y su interacción, movimiento. y transformación. La ciencia de las leyes.
Las ramas de la física se dividen según las diferentes formas de existencia y movimiento de la materia. La comprensión que la gente tiene de la naturaleza proviene de la práctica. A medida que la práctica se expande y profundiza, el contenido de la física también se expande y profundiza.
Con el desarrollo de diversas ramas de la física, la gente descubrió que existen conexiones entre diferentes formas de existencia y diferentes formas de movimiento de la materia, por lo que las distintas ramas de la física comenzaron a penetrar entre sí. La física se ha convertido gradualmente en un todo unificado en el que todas las ramas de la ciencia están estrechamente relacionadas entre sí.
Los físicos intentan encontrar las leyes básicas de todos los fenómenos físicos para comprenderlos de manera uniforme. Si bien este esfuerzo ha ido avanzando paulatinamente, todavía está lejos de alcanzar este objetivo. Parece que la exploración e investigación del mundo objetivo por parte de la gente es infinita.
Mecánica clásica
La mecánica clásica es una disciplina que estudia los fenómenos y las leyes del movimiento mecánico a baja velocidad de objetos macroscópicos. La velocidad macroscópica es relativa a las partículas microscópicas como los átomos; la velocidad baja es relativa a la velocidad de la luz. El cambio en la posición espacial de un objeto a lo largo del tiempo se llama movimiento mecánico. Lo primero con lo que la gente entra en contacto directo en la vida diaria y en el estudio es el movimiento mecánico macroscópico de baja velocidad.
Desde la antigüedad, el hombre ha realizado observaciones astronómicas debido a la necesidad de determinar las estaciones para la producción agrícola. A finales del siglo XVI se realizaron observaciones cuidadosas y precisas del movimiento de los planetas alrededor del Sol. En el siglo XVII, Kepler dedujo tres leyes empíricas para el movimiento de los planetas alrededor del Sol a partir de estas observaciones. Casi al mismo tiempo, Galileo llevó a cabo estudios experimentales sobre la caída de cuerpos y los proyectiles, lo que condujo a una teoría preliminar de los fenómenos del movimiento mecánico.
Newton llevó a cabo un estudio en profundidad de estas leyes empíricas y teorías preliminares de los fenómenos, descubrió las leyes básicas del movimiento mecánico macroscópico de baja velocidad y sentó las bases de la mecánica clásica. Adams predijo la existencia de Neptuno basándose en observaciones astronómicas detalladas de Urano y la teoría de Newton, y descubrió a Neptuno en observaciones astronómicas. Por tanto, las leyes de la mecánica y la gravedad de Newton son generalmente aceptadas.
Las cantidades físicas básicas en la mecánica clásica son las coordenadas espaciales y el momento de una partícula: el estado de un sistema mecánico en un momento determinado está representado por las coordenadas espaciales y el momento de una de sus partículas en ese momento . Para un sistema mecánico que no se ve afectado por el mundo exterior, no afecta al mundo exterior y no incluye otras formas de movimiento (como el movimiento térmico, el movimiento electromagnético), su energía mecánica total es una función de las coordenadas espaciales y El impulso de cada punto de partícula y su estado cambian con el tiempo por Determinado por la energía total.
En la mecánica clásica, la energía total y el momento total de un sistema mecánico son de gran importancia. El desarrollo de la física muestra que la energía total y el momento total de cualquier sistema físico aislado permanecen sin cambios sin importar cómo cambie. El alcance de aplicación de estas propiedades de conservación ha excedido con creces el alcance de la mecánica clásica y aún no se han descubierto sus limitaciones.
Ya en el siglo XIX, la mecánica clásica se había convertido en una rama muy madura de la física, con un rico contenido. Por ejemplo: mecánica de partículas, mecánica de cuerpos rígidos, mecánica analítica, mecánica elástica, mecánica plástica, mecánica de fluidos, etc. El ámbito de aplicación de la mecánica clásica abarca la energía, la aviación, la industria aeroespacial, la maquinaria, la construcción, la conservación del agua, la construcción minera y la protección de la seguridad. Por supuesto, los problemas técnicos y de ingeniería son a menudo problemas integrales que requieren una investigación multidisciplinaria integral para resolverlos por completo.
Las vibraciones y fluctuaciones son formas comunes de movimiento mecánico. La acústica es la rama de la ciencia que estudia la generación, propagación, transformación y absorción de este movimiento. Las personas transmiten información a través de ondas sonoras. Muchos objetos no son fácilmente penetrados por ondas de luz y ondas electromagnéticas, pero las ondas sonoras con frecuencias extremadamente bajas pueden propagarse muy lejos en la atmósfera y los océanos, por lo que pueden transmitir terremotos rápidamente a cualquier parte del mundo. tierra, erupciones volcánicas o información de explosiones nucleares; ondas sonoras de alta frecuencia y ondas sonoras superficiales se han utilizado en investigación sólida, tecnología de microondas, diagnóstico médico y otros campos, se han utilizado ondas sonoras muy fuertes en procesamiento industrial, etc.
Térmica, Termodinámica y Mecánica Estadística Clásica
La ciencia térmica es una disciplina que estudia la generación y conducción del calor así como las propiedades y cambios de la materia en estado térmico. La gente ha tenido durante mucho tiempo el concepto de frío y calor. El estudio de los fenómenos térmicos aclaró gradualmente algunos conceptos vagos sobre el calor (como distinguir entre temperatura y calor) y, sobre esta base, comenzó a explorar la esencia y las leyes universales de los fenómenos térmicos. El estudio de las leyes generales de los fenómenos térmicos se llama termodinámica. En el siglo XIX, la termodinámica había madurado.
Los objetos tienen movimiento interno, por lo que tienen energía interna. La investigación experimental sistemática del siglo XIX demostró que el calor es una manifestación del movimiento desordenado dentro de un objeto, que se llama energía interna. Anteriormente se llamaba energía térmica. A mediados del siglo XIX, Joule y otros determinaron la relación cuantitativa entre el calor y el trabajo mediante experimentos, estableciendo así la primera ley de la termodinámica: la energía y la energía interna del movimiento mecánico macroscópico se pueden convertir entre sí. En lo que respecta a un sistema físico aislado, no importa cómo se conviertan las formas de energía entre sí, el valor energético total permanece sin cambios, por lo que la primera ley de la termodinámica es una manifestación de la ley de conservación y conversión de energía.
Basándose en los resultados de la investigación de Carnot, Clausius y otros científicos propusieron la segunda ley de la termodinámica, que expresaba la irreversibilidad de los procesos macroscópicos de desequilibrio. Por ejemplo, si la temperatura de un objeto aislado varía de un lugar a otro, el calor fluirá de un lugar con mayor temperatura a un lugar con menor temperatura y, finalmente, la temperatura será la misma en todas partes, lo cual es un estado de equilibrio térmico. El proceso inverso es imposible, es decir, este objeto aislado, con la misma temperatura en todo su interior, no puede volver automáticamente a un estado en el que la temperatura sea diferente en todas partes. Aplicando el concepto de entropía, también podemos expresar la segunda ley de la termodinámica como: la entropía de un sistema físico aislado no disminuirá con el tiempo, sino que solo aumentará o permanecerá constante. Cuando la entropía alcanza su valor máximo, el sistema físico está en equilibrio térmico.
El estudio intensivo de la naturaleza de los fenómenos térmicos condujo a la mecánica estadística. La mecánica estadística aplica métodos de análisis estadístico procedentes de las matemáticas para estudiar el comportamiento medio de un gran número de partículas. La mecánica estadística es una rama importante de la física teórica. Estudia las leyes estadísticas de las propiedades y el comportamiento de objetos macroscópicos compuestos por una gran cantidad de partículas basándose en la composición microscópica y la interacción de la materia.
Los problemas estudiados en la mecánica estadística del no equilibrio son complejos, y no fue hasta mediados del siglo XX que se lograron grandes avances. Para un sistema físico macroscópico que contiene una gran cantidad de partículas, la probabilidad de que el sistema esté en un estado desordenado excede la probabilidad de estar en un estado ordenado. Los sistemas físicos aislados siempre tienden a pasar de estados más ordenados a estados más desordenados. En termodinámica, esto corresponde a un aumento de la entropía.
La principal tendencia de un sistema en desequilibrio cerca del estado de equilibrio es la transición al estado de equilibrio. Los principales procesos de desequilibrio cerca del estado de equilibrio son la relajación, el transporte y las fluctuaciones, y la teoría en esta área se ha ido desarrollando y madurando gradualmente. En los últimos 20 o 30 años, se han llevado a cabo investigaciones exhaustivas sobre sistemas físicos alejados del equilibrio, como las estructuras disipativas, y se han logrado grandes avances, pero aún quedan muchos problemas por resolver.
En un cierto período de tiempo, la comprensión de las personas del mundo objetivo siempre es limitada y solo reconocen la verdad relativa. Lo mismo ocurre con la mecánica clásica y la mecánica estadística clásica basada en la mecánica clásica. Cuando se aplicó la mecánica clásica a la microestructura de átomos, moléculas y objetos macroscópicos, se revelaron sus limitaciones, lo que llevó al desarrollo de la mecánica cuántica. En consecuencia, la mecánica estadística clásica también se convirtió en la mecánica estadística cuántica sobre la base de la mecánica cuántica.
Electromagnetismo clásico y electrodinámica clásica
El electromagnetismo clásico es una disciplina que estudia los fenómenos electromagnéticos macroscópicos y las propiedades electromagnéticas de los objetos objetivos. La gente ha estado expuesta durante mucho tiempo a los fenómenos de la electricidad y el magnetismo y sabe que la barra magnética tiene un polo norte y un polo sur. En el siglo XVIII se descubrió que existen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas. Las cargas eléctricas y los polos magnéticos se repelen y los opuestos se atraen. La dirección de la fuerza está en la línea que conecta las cargas o polos magnéticos, y la magnitud de la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. Similar a la gravedad en estos dos puntos. A finales del 18 se descubrió que puede fluir carga eléctrica, que es la corriente. Pero nunca se ha descubierto la conexión entre la electricidad y el magnetismo.
A principios del siglo XIX, Oersted descubrió que una corriente eléctrica podía desviar una pequeña aguja magnética. Ampere descubrió entonces que las direcciones de la fuerza y la dirección de la corriente, así como la dirección perpendicular desde la aguja magnética al cable que transportaba la corriente, eran todas perpendiculares entre sí. Poco después, Faraday descubrió que cuando se insertaba una varilla magnética en una bobina, se producía una corriente eléctrica en la bobina.
Estos experimentos mostraron una estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo.
Después de descubrir la conexión entre la electricidad y el magnetismo, se dio cuenta de que la naturaleza de la fuerza electromagnética es similar a la gravedad en algunos aspectos, pero diferente en otros. Por esta razón, Faraday introdujo el concepto de líneas de fuerza eléctrica, creyendo que la corriente genera líneas de fuerza magnéticas alrededor de los cables y las cargas generan líneas de fuerza eléctrica en todas direcciones, y en base a esto se generó el concepto de campos electromagnéticos.
Ahora se reconoce que los campos electromagnéticos son una forma especial de materia. Las cargas crean un campo eléctrico a su alrededor, que ejerce una fuerza sobre otras cargas. Un imán y una corriente eléctrica crean un campo magnético a su alrededor, que actúa sobre otros imanes y objetos que tienen corriente eléctrica en su interior. El campo electromagnético también tiene energía e impulso y es el medio que transmite la fuerza electromagnética. La fuerza electromagnética penetra en todo el espacio.
En la segunda mitad del siglo XIX, Maxwell resumió las leyes de los fenómenos electromagnéticos macroscópicos e introdujo el concepto de corriente de desplazamiento. La idea central de este concepto es: cambiar el campo eléctrico puede producir un campo magnético; cambiar el campo magnético también puede producir un campo eléctrico. Sobre esta base, propuso un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales que expresan las leyes básicas de los fenómenos electromagnéticos. Este conjunto de ecuaciones se llama ecuaciones de Maxwell y es la ecuación básica del electromagnetismo clásico. La teoría electromagnética de Maxwell predijo la existencia de ondas electromagnéticas cuya velocidad de propagación es igual a la velocidad de la luz, lo que luego fue confirmado por los experimentos de Hertz. Entonces la gente se dio cuenta de que la teoría electromagnética de Maxwell reflejaba correctamente las leyes de los fenómenos electromagnéticos macroscópicos y afirmó que la luz también es una onda electromagnética.
Debido a que el campo electromagnético puede actuar sobre partículas cargadas con fuerza, una partícula cargada en movimiento se ve afectada tanto por el campo eléctrico como por el campo magnético. Lorentz resumió la fuerza ejercida por el campo electromagnético sobre cargas en movimiento en una fórmula, que se llama fuerza de Lorentz. Las ecuaciones de Maxwell y la fuerza de Lorentz, que describen las leyes básicas de los campos electromagnéticos, forman la base de la electrodinámica clásica.
De hecho, un generador no es más que utilizar las leyes de la electrodinámica para convertir la energía mecánica en energía electromagnética; un motor no es más que utilizar las leyes de la electrodinámica para convertir la energía electromagnética en energía mecánica. El telégrafo, el teléfono, la radio y la luz eléctrica fueron todos productos de los desarrollos del electromagnetismo clásico y la electrodinámica clásica. La electrodinámica clásica juega un papel importante en la promoción del desarrollo de la productividad, teniendo así un impacto amplio e importante en la sociedad.
Óptica y Ondas Electromagnéticas
La óptica estudia las propiedades de la luz y sus diversas interacciones con la materia. La luz es una onda electromagnética. Aunque el rango de longitud de onda de la luz visible sólo ocupa una banda muy estrecha entre las ondas electromagnéticas, la gente ha estudiado la luz mucho antes de darse cuenta de que la luz es una onda electromagnética.
En el siglo XVII se plantearon dos hipótesis sobre la naturaleza de la luz: una hipótesis sostenía que la luz estaba compuesta de muchas partículas; la otra hipótesis sostenía que la luz era una onda. En el siglo XIX, se determinó experimentalmente el singular fenómeno de interferencia de la luz y las ondas, y experimentos posteriores demostraron que la luz es una onda electromagnética. A principios del siglo XX se descubrió que la luz tiene propiedades de partículas. Sólo después de que la gente se adentró en el mundo microscópico se dio cuenta de que la luz tiene una dualidad onda-partícula.
La luz puede ser emitida, absorbida, reflejada, refractada y difractada por la materia. Cuando el tamaño del objeto o espacio bajo estudio es mucho mayor que la longitud de onda de la onda luminosa, la luz puede considerarse como luz en línea recta pero cuando el estudio profundiza en los detalles del fenómeno y su alcance espacial es casi; Al igual que la longitud de onda de la onda de luz, se debe considerar la fluctuación de la luz. Al estudiar la interacción entre la luz y las partículas microscópicas, también se debe considerar la naturaleza partícula de la luz.
Los métodos ópticos son una forma muy eficaz de estudiar la estructura de los cuerpos celestes, microorganismos, moléculas y átomos. Gracias al efecto de interferencia de la luz se pueden realizar mediciones muy precisas. La luz emitida por una sustancia transporta información importante sobre la estructura interna de la sustancia. Por ejemplo, el espectro emitido por los átomos está estrechamente relacionado con la estructura atómica.
En los últimos años, el láser producido por el mecanismo de emisión estimulada puede alcanzar potencias muy elevadas, el ángulo de apertura del haz es muy pequeño y la intensidad de su campo eléctrico puede incluso superar a la de los átomos. El uso de láseres ha abierto importantes vías de investigación, como la óptica no lineal. Los láseres tienen muchas aplicaciones importantes en la tecnología industrial y en la medicina.
En la actualidad, la longitud de onda de las ondas electromagnéticas generadas por métodos artificiales ha alcanzado varios kilómetros de longitud y menos de una centésima de centímetro de longitud, cubriendo casi 20 órdenes de magnitud. Las ondas electromagnéticas se han convertido en una poderosa herramienta para transmitir información debido a su rápida velocidad y amplio rango de frecuencia.
Durante el establecimiento y desarrollo del electromagnetismo clásico, se formó el concepto de campo electromagnético.
En el desarrollo posterior de la física, el campo se convirtió en un concepto muy básico y universal. En la física moderna, el concepto de campo ha ido mucho más allá del alcance del electromagnetismo y se ha convertido en una forma básica y universal de existencia de la materia.
Teoría especial de la relatividad y mecánica relativista
Tras el gran éxito de la mecánica clásica, la gente está acostumbrada a atribuir todos los fenómenos al movimiento mecánico. Después de que se propuso el concepto de campo electromagnético, la gente supuso que existía un medio llamado "éter", que penetraba en todo el universo y en todos los objetos, era absolutamente inmóvil, no tenía masa, no producía ninguna resistencia al movimiento de los objetos y no fue afectado por la gravedad. Tai puede considerarse como un sistema de referencia absolutamente estacionario, por lo que los sistemas de referencia que se mueven a una velocidad uniforme con respecto al éter son todos sistemas de referencia inerciales.