Основні фізичні поняття

У процесі розвитку фізика виробила цілу систему понять, сукупність яких становить своєрідну мову фізики. З основними такими поняттями потрібно ознайомитися, оскільки їх використання полегшить формулювання усіх фізичних міркувань, законів тощо.

Фізичним тілом або просто тілом, називається будь-який матеріальний предмет. Характерними ознаками поняття тіла є його матеріальність і обмеженість у просторі. Або інакше, фізичне тіло - це деяка визначена кількість матерії, що займає певний кінцевий об'єм.

Фізичною системою, чи системою тіл, називається сукупність тіл, що у деякому фізичному явищі розглядається як щось єдине ціле. Тіла, що входять до складу фізичної системи, називають внутрішніми тілами системи, а тіла, які не входять до складу системи, - зовнішніми тілами відносно системи.

Фізичним середовищем називається матеріальне середовище, у якому відбувається певне фізичне явище. Однорідним середовищем називають середовище, склад речовини якого всюди однаковий. Однорідне середовище має однакові фізичні властивості у всіх своїх частинах. Якщо середовище неоднорідне настільки, що окремі його зони мають різко відмінні фізичні властивості, то воно фактично являє собою сукупність різних середовищ, відділених одне від одного межами розділу середовищ. Межами розділу середовищ є поверхні, що обмежують об'єми середовищ з різними фізичними властивостями.

Будь-яку властивість тіла, що підлягає кількісному визначенню, називають фізичною величиною. Фізичні величини розрізняють за характером залежності від способу їх кількісного визначення. Фізичні величини бувають скалярні й векторні. Скалярними називають величини, які характеризуються лише числовим значенням (маса, енергія, робота, кількість теплоти, температура, заряд, сила струму тощо). Будь-яка алгебраїчна операція над скалярними величинами приводить до одержання скалярної величини. Векторними називають величини, які характеризуються числовим значенням (модулем) і напрямом у просторі. Векторну величину зображають напрямленим відрізком, довжина якого в певному масштабі дорівнює модулю векторної величини. Початок вектора є його точкою прикладання, а кінець вказує напрям величини. Векторну величину позначають буквою зі стрілкою над нею (наприклад, переміщення , швидкість , сила ), а її модуль - буквою зі стрілкою, обмеженою двома вертикальними рисками (), або буквою без стрілки ( S, v, F).

Сума або різниця векторних величин також є векторною величиною, яку знаходять за правилом паралелограма (рис.1.2.1).

Розкласти векторну величину на складові означає замінити цю величину кількома величинами, геометрична сума яких дорівнює цій величині. Розкладають величину на складові також за правилом паралелограма.

Проекцією вектора а на вісь ОХ - a_x - називають довжину відрізка між проекціями початку та кінця вектора на цю вісь (рис.1.2.2).

Проекція вектора вважається додатною, якщо напрям від проекції початку до проекції кінця збігається з напрямом координатної осі, а якщо ні, то - від'ємною. Проекцію вектора вимірюють тими самими одиницями і в тому самому масштабі, що й модуль вектора.

Якщо розглядається поводження тіла в певному явищі (процесі), то деякі з величин, що його характеризують, не змінюються в ході явища (процесу), решта ж змінюється. У зв'язку з цим розрізняють величини сталі та величини змінні. Скалярна стала величина характеризується тільки одним єдиним числовим значенням. Векторна стала величина характеризується своїм єдиним числовим значенням і сталим напрямом у просторі. Такі сталі величини, що характеризують тіло під час перебігу певного фізичного явища (процесу), називають параметрами. Не завжди параметри зберігають своє єдине значення протягом явища (процесу): іноді вони набувають низки значень, відмінних між собою. У такому разі їх називають змінними параметрами.

Змінні величини змінюють своє значення під час явища невпинно. Часто буває так, що одна фізична величина змінює свої значення залежно від значень іншої. У цьому разі вважають, що значення однієї величини q функціонально залежать від значення іншої r:

q = f(r).

Будь-який функціональний зв'язок двох змінних величин, що характеризують поводження системи в певному фізичному явищі, буде деякою закономірністю, що відображає певний закон природи. Однак не кожну таку закономірність можна вважати фізичним законом. Фізичним законом називається такий зв'язок між величинами, який являє собою найістотнішу характеристику явища і який не змінює свого вигляду зі зміною умов, за яких відбувається явище. Наведемо приклади. Закон Ома для повного кола встановлює зв'язок між електрорушійною силою (ЕРС) e, що діє в колі, і струмом, що проходить по ньому:

I = f(e).

де R - опір зовнішньої частини кола, r - опір внутрішньої частини. Струм у колі залежить не тільки від ЕРС. Він буде залежати також і від температури провідника Т, оскільки від температури залежить опір. Однак залежність струму від ЕРС більш істотна, і вона не змінює свого вигляду зі зміною умов проходження струму в колі. Ось чому саме цей зв'язок між величинами, що характеризують явище, виокремлюють в першу чергу, вважаючи його основним фізичним законом, що характеризує явище. Встановлюючи закон, доводиться нехтувати менш істотною залежністю струму від температури провідника. Та обставина, що у формулюванні фізичних законів не враховуються несуттєві залежності деяких величин, що стосуються цих законів, свідчить про те, що фізичні закони мають межі застосування: їх можна застосовувати тільки доти, доки відкинуті під час формулювання закону зв'язки будуть дійсно несуттєвими порівняно з тими, що враховуються. Якщо ж явище відбувається за таких умов, що відкинуті зв'язки стають істотними, то використання закону у попередній формі стає неправомірним. У таких випадках потрібно видозмінювати сам закон так, щоб врахувати ці раніше відкинуті зв'язки. Наприклад, якщо на підставі закону Ома розраховують коло, що містить електронагрівальні прилади, то під час розрахунку потрібно враховувати зміну їх опору з температурою.

Сукупність значень усіх величин, що характеризують поводження тіла в певному фізичному явищі, описує стан тіла. Однак не всі величини рівнозначні, оскільки під час явища одні величини змінюються залежно від зміни інших. Отже, якщо значення незалежних величин відомі, то значення залежних величин можна теж визначити через наявні закономірні зв'язки між величинами. Тому стан тіла можна однозначно визначити, якщо задано значення всіх незалежних величин, що характеризують його поводження в розглядуваному явищі.

Із величин, що описують поводження тіла в досліджуваному фізичному явищі, виокремлюють клас величин - фізичні сталі або фізичні константи. Деякі з цих сталих залежать від внутрішньої будови тіла, наприклад, питомий опір речовини r, діелектрична проникність e, питома теплоємність с, коефіцієнт заломлення n та ін. Усі ці сталі визначаються внутрішньою структурою речовини, особливостями її внутрішньої будови. Оскільки особливості внутрішньої будови речовини значно залежать від стану речовини (наприклад, від температури тіла, від тиску, від напруженості зовнішнього магнітного й електричного полів), то і значення констант речовини здебільшого залежать від її стану.

Наведемо приклади. Питомий опір r і діелектрична проникність e залежать від температури тіла. Температура кипіння води залежить від зовнішнього тиску. Об'єм і густина тіла залежать від температури і зовнішнього тиску. Крім констант, обумовлених внутрішньою будовою речовини і станом тіл системи, формули фізичних законів містять ще так звані фундаментальні фізичні сталі. Значення цих констант виражають такі властивості фізичних систем, що не змінюються у всіх вивчених нами фізичних явищах, унаслідок чого ці константи і зберігають завжди те саме значення. Такими, наприклад, є константи: гравітаційна стала, стала Фарадея, число Авогадро тощо (див. дод. 3.1). Ці сталі часто виступають у ролі коефіцієнтів пропорційності у фізичних законах. Адже переважну більшість законів фізики встановлено експериментальним шляхом. Так, із дослідів французький учений Ш. Кулон встановив, що сила взаємодії двох точкових заряджених тіл прямо пропорційна добутку величини зарядів цих тіл і обернено пропорційна квадрату відстані між їх центрами: . Щоб перейти до рівності, у фізиці використовують коефіцієнти, які мають певну розмірність. У законі Кулона таким коефіцієнтом у разі використанні одиниць СІ є вираз k = 1/4pe₀, де e₀ - електрична стала (дод.3.1).