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Física 

Física (do grego. Φυσικός natural, φύσις natureza) - a ciência natural que investiga as propriedades gerais da matéria e fenômenos nele, e revela as gerais leis que regem esses fenômenos. Esta é a ciência das leis da natureza no sentido mais amplo da palavra. Os físicos estudam o comportamento e as propriedades da matéria em larga escala de suas manifestações, a partir de partículas elementares submicroscópicas , das quais todo o material (a física das partículas elementares).), ao comportamento de todo o universo como um sistema único ( cosmologia ).

Algumas das regularidades estabelecidas pela física são comuns a todos os sistemas materiais. Estes incluem, por exemplo, a lei de conservação de energia . Tais leis são chamadas de leis da física . A física é considerada uma ciência fundamental , porque todas as outras ciências naturais ( química , geologia , biologia , etc.) lidam com certos tipos de sistemas materiais que obedecem às leis da física. Por exemplo, as propriedades das substâncias químicas são determinadas pelas propriedades das moléculas e átomos que as compõem, e essas propriedades são estudadas em tais ramos da física como a mecânica quântica ,termodinâmica e / ou eletricidade ( eletromagnetismo ).

A física está intimamente relacionada à matemática . As teorias físicas são geralmente construídas com base em um aparato matemático específico , e esse aparato é freqüentemente muito mais complexo em comparação com outras ciências naturais. Mas a diferença entre física e matemática é que a física é fundamentalmente focada na descrição do mundo material, enquanto a matemática lida com idéias e formulações abstratas que não descrevem necessariamente uma determinada realidade objetiva. Como não há uma divisão clara, na interseção dessas duas ciências havia uma disciplina especial - a física matemática , que constrói estruturas matemáticas de teorias físicas

Método científico

A física é uma ciência natural . Baseia-se experimentais estudos de fenômenos naturais, e seu objetivo - a formulação de leis que explica esses fenômenos. Física enfoca o estudo dos fenômenos mais fundamentais e mais fáceis e respostas para a simples questão do que constitui importa como partículas de matéria interagem entre si, quais são as regras e as leis do movimento de partículas gosta. A base da pesquisa física é a observação. Síntese de observações permite físicos para formular hipóteses sobre características gerais comuns dos fenómenos que foram acima. Hipóteses são testadas usando experimento mental em que o fenômeno se manifesta como faria um aspirador e não ser complicada por outros fenômenos.A análise do conjunto de dados de experimentos nos permite formular o padrão.

Nos estágios iniciais da pesquisa, os padrões são em sua maioria empíricos, fenomenológicos, ou seja, o fenômeno é descrito quantitativamente com o auxílio de determinados parâmetros característicos dos corpos estudados.e substâncias. Ao analisar padrões e parâmetros, os físicos constroem teorias físicas que permitem explicar os fenômenos sob investigação com base em representações sobre a estrutura de corpos e substâncias e a interação entre suas partes constituintes. As teorias físicas, por sua vez, criam as pré-condições para experimentos mais precisos, durante os quais o escopo de sua aplicação é amplamente determinado. As teorias físicas mais gerais permitem a formulação de leis físicas que são consideradas verdades gerais, até que o acúmulo de novos resultados experimentais não requeira seu refinamento.

Por exemplo, Stephen Gray notou que a eletricidade poderia ser transferida para uma distância razoavelmente significativa com a ajuda de fios umedecidos e começou a investigar esse fenômeno. George Ohm foi capaz de encontrar para ele um padrão quantitativo - a corrente no condutor é proporcional à voltagem ( lei de Ohm ). Nesse caso, é claro, os experimentos de Oma se basearam em novas fontes de energia e em novas maneiras de medir o efeito da corrente elétrica, o que permitiu a caracterização quantitativa do mesmo.

De acordo com os resultados de outras pesquisas, foi possível abstrair a partir da forma e comprimento dos condutores e introduzir características fenomenológicas como a resistência do condutor eresistência interna da fonte de alimentação. A lei de Ohm e continua a ser a base de engenharia elétrica , mas também estabeleceu um quadro de aplicação de pesquisa - elementos aberta do circuito com não-lineares características corrente-tensão e até mesmo substâncias que não têm resistência elétrica - supercondutores a temperatura . Após a descoberta de carregadas partículas microscópicas - electrões , teoria microscópica formulado de condutividade eléctrica , que explicaram a dependência da resistência em temperatura de dispersão de electrões nos vibrações da rede cristalina , de impurezas, etc.

 

Física Teórica e Experimental

Princípios de revista física diferem de pesquisa em outras ciências é que aqui há uma clara divisão entre teoria e experiência e, a partir do século 20 a maioria dos físicos especializada ou física teórica ou experimental , e muito poucos daqueles que têm alcançado sucesso em ambas as direções. Para comparação, virtualmente todos os teóricos de sucesso da biologia e da química também foram experimentadores.

Os teóricos estão empenhados na busca de teorias que possam explicar os resultados experimentais bem conhecidos e prever novos, enquanto os experimentadores organizam seus estudos práticos para verificar os resultados das teorias. Isto é, apesar da existência de duas direções distintas, elas estão intimamente ligadas entre si. Portanto, avanços na física geralmente ocorrem quando os pesquisadores descobrem que as teorias existentes não conseguem explicar seus resultados , e isso requer a construção de novas teorias físicas.

A divisão dos físicos em teóricos e experimentadores está associada à complexidade particular do aparato matemático da física moderna, por um lado, e à complexidade do equipamento experimental moderno - por outro. Com o advento da poderosa tecnologia da computação, uma nova classe de físicos envolvidos em simulação computacional de processos físicos e desenvolvimento de software para cálculos físicos complexos foi alocada . Em parte, esta simulação é realizada ab initio , isto é, baseada nos princípios básicos da teoria física, parcialmente baseada em teorias fenomenológicas e usando bancos de dados de parâmetros físicos de partículas , átomos ousubstâncias .

 

A natureza quantitativa da física

A física é uma ciência quantitativa. O experimento físico se baseia na medição , isto é, a comparação do valor do valor com a unidade de medida com o uso de meios técnicos especiais. Para este propósito, a física desenvolveu um conjunto de unidades físicas e instrumentos de medição . Unidades físicas individuais são combinadas em sistemas de unidades físicas. Assim, no estágio atual de desenvolvimento da ciência, o padrão é o sistema SI internacional .

As dependências quantitativas experimentais nos permitem utilizar métodos matemáticos para o seu processamento e construir modelos teóricos, isto é, matemáticos dos fenômenos estudados.

Com a mudança de idéias sobre a natureza desses ou outros fenômenos, as unidades físicas, nas quais as grandezas físicas são medidas, também mudam . Por exemplo, para medir a temperatura, inicialmente, foram propostas escalas de temperatura arbitrárias que dividiam o intervalo de temperatura entre os fenômenos característicos (por exemplo, congelamento e água fervente) para um determinado número de intervalos menores, que eram chamados graus de temperatura. Para medir a quantidade de calor , foi introduzida uma unidade - caloria , que determinou a quantidade de calor necessária para aquecer um grama de água em um grau.

No entanto, com o tempo, os físicos estabeleceram a correspondência entre a forma mecânica e térmica da energia. Descobriu-se que a unidade anteriormente proposta de quantidade de calor, calorias, é desnecessária, já que a unidade de medição de temperatura é um grau. E a quantidade de calor e temperatura pode ser medida em unidades de energia mecânica . Na era moderna, calorias e graus não saíam de uso prático, mas entre essas unidades e a unidade de energia de Joul existe uma relação numérica exata. O coeficiente de transição de temperatura para energia ( Boltzmann's ) é considerado uma constante física .

 

Ramos básicos da física

A pesquisa física moderna pode ser dividida em ramos separados, que estudam vários aspectos do mundo material. A física da matéria condensada , provavelmente um dos maiores ramos individuais de pesquisa, concentra-se no estudo das propriedades das manifestações usuais da matéria, como sólidos e líquidos . Suas propriedades derivam das propriedades e características da interação dos átomos dessas substâncias. A física atômica e molecular e a óptica lidam com átomos e moléculas individuais. O ramo da física de partículas elementares, também conhecido sob o nome de física de alta energia, estuda as propriedades das partículas submicroscópicas, muito menores que os átomos, das quais toda a matéria é construída. FinalmenteA astrofísica usa leis físicas para explicar fenômenos astronômicos, desde o Sol e outros objetos do sistema solar , e terminando com o universo como tal.

 

Física Aplicada

Desde a sua criação, a física sempre foi de grande importância prática e desenvolvida junto com as máquinas e mecanismos que a humanidade usou para suas necessidades. A física é amplamente utilizada nas ciências da engenharia, muitos físicos eram ambos inventores e vice-versa. A mecânica, como parte da física, está intimamente ligada à mecânica teórica e à resistência material , como as ciências da engenharia. A termodinâmica está conectada com a engenharia de calor e o projeto de motores térmicos . A eletricidade está relacionada à engenharia elétrica e eletrônica , para a formação e desenvolvimento de que é uma pesquisa muito importante no campo da física do estado sólido . As conquistas da física nuclear levaram ao surgimentoenergia nuclear , etc.

A física também tem amplas conexões interdisciplinares. À beira da física, química e engenharia, tal ramo da ciência como ciência material surgiu e se desenvolveu rapidamente . Métodos físicos e ferramentas são usados ​​pela química, o que levou à formação de duas áreas de pesquisa: física química e física química . A biofísica está se tornando cada vez mais poderosa : a área de pesquisa na fronteira entre a biologia e a física, na qual os processos biológicos são estudados com base na estrutura atômica de substâncias orgânicas. A geofísica estuda a natureza física dos fenômenos geológicos. A medicina usa métodos físicos, como estudos de raios-X e ultra - som ,ressonância magnética nuclear - para diagnósticos, lasers - para o tratamento de doenças oculares, radiação nuclear - em oncologia e afins.

 

História da física

As pessoas tentaram entender as propriedades da matéria desde os primeiros tempos: por que os corpos caem no chão, por que substâncias diferentes têm propriedades diferentes, e assim por diante. As pessoas também se perguntavam sobre a estrutura do mundo, a natureza do Sol e da Lua . Inicialmente, as respostas a essas questões foram buscadas em filosofia . Na maior parte, teorias filosóficas que tentaram responder a tais questões não foram testadas na prática.

No entanto, ao contrário do que é muitas vezes incorretamente descreveu a teoria filosófica de observação , nos tempos antigos, a humanidade tem feito progressos significativos em astronomia e sábio grego Arquimedes ainda conseguiu dar formulação quantitativa precisa de muitas leis da mecânica e hidrostática .

Algumas teorias de pensadores antigos, como as idéias do átomo , formuladas na Grécia e na Índia antigas , estavam à frente do tempo.Gradualmente, da filosofia geral começou a separar a ciência , como sua parte, descrevendo o mundo circundante. Um dos principais livros de Aristóteles é chamado de "Física". Apesar de algumas falsas alegações, a física de Aristóteles permaneceu a base do conhecimento sobre a natureza durante séculos.

 

Período para a revolução científica


Propriedade dúvida humana e posição ver, uma vez considerado o único verdadeiro, em busca de respostas para novas perguntas, eventualmente, levaram a dias de grandes descobertas científicas, hoje chamado revolução científica que começou em torno da segunda metade do século 16 .

Os pré-requisitos para essa mudança radical foram devidos à propriedade que pode ser rastreada até a Índia e a Pérsia. Isto inclui modelos das órbitas planetárias elípticas, contando com o modelo heliocêntrico do sistema solar , desenvolvido pelo matemático indiano e astrônomo Ariabhata I , as disposições fundamentais do atomismo proposta hindus e jainistas filósofos, a teoria de que a luzequivalente a partículas de energia budista pensadores Dignaga e Dharmakirti teoria óptica cientista árabe Alhazen inventados por Percy Mohammad Al Fazari astrolábio . O cientista persa Nasir al-Dinat-Tusi apontou defeitos significativos no sistema ptolemaico .

Medieval Europa por algum tempo perdido conhecimento dos tempos antigos, mas sob a influência do califado árabe salvo árabes obras de Aristóteles retornou. Nos séculos XII e XIII, as obras de eruditos indianos e persas também encontraram o caminho para a Europa.Na Idade Média, um método científico começou a emergir , no qual o papel principal foi atribuído ao experimento e à descrição matemática . Ibn Al-Haysam (Alhazen) é considerado o fundador do método científico.

Em seu "Livro de Óptica", escrito em 1021 ano, ele descreveu experimentos realizados para provar a validade de sua teoria da visão , que alegou que o olho percebe a luz emitida por outros objetos, ao invés de emiti-lo como se pensava Euclides e Ptolomeu . Nos experimentos de Alhazen, a câmera do obscuro foi usada. Com este instrumento, ele testou suas hipóteses sobre as propriedades da luz: se a luz se propaga em linha reta ou se mistura no ar diferentes raios de luz .

 

Revolução Científica e Física Clássica

Período de revolução científica caracterizado pela consolidação do método científico de pesquisa, isolamento física do público filosofia natural em uma área separada e ao desenvolvimento de ramos individuais de física, mecânica, óptica, termodinâmica, e outros.A maioria dos historiadores sustentam a idéia de que a revolução científica começou em 1543, quando Copérnico trazido de Nuremberg publicou o primeiro exemplar de seu livro "Sobre a rotação das esferas celestes."

Ao longo do século, a humanidade foi enriquecida pelo trabalho de estudiosos como Galileu Galilei , Christian Huygens , Johann Kepler e Blaise Pascal . Galileu começou a aplicar consistentemente o método científico, conduzindo experimentos para confirmar suas suposições e teorias. Ele formulou algumas leis de dinâmica e cinemática , em particular a lei da inércia , e testou-as experimentalmente.

Em 1687, Newton publicou o livro Principia, no qual ele descreveu em detalhes duas teorias físicas fundamentais: as leis do movimento dos corpos, conhecidas como leis de Newton , e as leis da atração.. Ambas as teorias eram perfeitamente consistentes com o experimento. O livro também se referiu à teoria do movimento fluido. Posteriormente, a mecânica clássica foi reformulada e expandida por Leonard Euler , Joseph-Louis Lagrange , William Hamilton e outros. As leis da gravidade lançaram as bases para mais tarde tornar-se astrofísica , que usa teorias físicas para descrever e explicar observações astronômicas.

Após o estabelecimento das leis da mecânica por Newton, o próximo campo de pesquisa foi a eletricidade . Os fundamentos da teoria da eletricidade lançaram as bases e experimentos de tais estudiosos do século 17 como Robert Boyle , Stephen Gray , Benjamin Franklin . Os principais conceitos formados - carga elétrica e corrente elétrica .

Em 1831 , o físico inglês Michael Faraday combinou eletricidade e magnetismo , demonstrando que um ímã em movimento induz uma corrente elétrica. Baseado neste conceito, James Clerk Maxwell construiu a teoria do campo eletromagnético . Além dos fenômenos eletromagnéticos, as equações de Maxwell descrevem a luz . Isto foi confirmado por Henry Hertz , que descobriu ondas de rádio .

Com a construção da teoria do campo eletromagnético e das ondas eletromagnéticas , a construção da ótica clássica foi completada pela vitória da teoria ondulatória da luz, iniciada por Huygens, sobre a teoria corpuscular de Newton. Desta forma, a óptica tornou-se rica na compreensão da difração e interferência da luz alcançada através das obras de Fresnel e Yang .

Nos séculos XVIII e XIX, as leis básicas do comportamento dos gases foram descobertas, e a ciência da termodinâmica foi formada com o calor do dia . Em meados do século XIX, Joule estabeleceu a equivalência de energia mecânica e térmica, que levou à formulação da lei de conservação de energia . Graças a Clausius , a segunda lei da termodinâmica de Gibbs foi formulada, lançou as bases da física estatística , Ludwig Boltzmann propôs uma interpretação estatística do conceito de entropia .

No final do século XIX, os físicos chegaram a uma descoberta significativa - uma confirmação experimental da existência de um átomo.No final do século XIX, o papel da física na sociedade mudou. O surgimento de novas tecnologias: eletricidade, rádio, carro etc. exigiu uma grande quantidade de pesquisas aplicadas. A busca da ciência tornou-se uma profissão. Empresa General Electric inaugurado laboratório própria investigação. Os mesmos laboratórios começaram a aparecer em outras firmas.

 

Mudando o Paradigma

Albert Einstein

O modelo de Bohr é um modelo planetário de conchas de elétrons atômicos 19 tarde - início do século 20 foi um momento em que a pressão de novos físicos de dados experimentais teve de rever as teorias velhas e substituí-los por novos, olhar mais profundo sobre a estrutura da matéria. O experimento de Michelson-Morley derrubou a base do eletromagnetismo , questionando a existência do éter . Novos fenômenos como raios-X e radioatividade foram descobertos .

Mal o física para provar a existência do átomo, como havia evidência de um electrão , as experiências com o efeito fotoeléctrico e medindo o espectro de radiação térmica dadas resultados que não podem ser explicados com base nos princípios da física clássica. A imprensa chamou este período de crise, física, no entanto, era o período do triunfo da física, que conseguiu desenvolver uma nova teoria revolucionária que não só explicou o estranho fenômeno, mas também forneceu outra, abrindo o caminho para uma nova compreensão da natureza.

Em 1905 , Albert Einstein construiu uma teoria especial da relatividade , que demonstrou que o conceito de éter é supérfluo na explicação dos fenômenos eletromagnéticos. Ao mesmo tempo teve que mudar a mecânica clássica de Newton, dando-lhe uma nova formulação, justa a altas velocidades. Substancialmente mudou a ideia da natureza do espaço e do tempo. Einstein desenvolveu sua teoria na teoria geral da relatividade , publicada em 1916. A nova teoria incluiu uma descrição dos fenômenos da gravidade e abriu o caminho para a formação da cosmologia - a ciência da evolução do universo .

Considerando o problema da radiação térmica de um corpo absolutamente negro por Max Planck em 1900 , ele propôs uma ideia incrível de que as ondas eletromagnéticas são irradiadas em porções cuja energia é proporcional à freqüência . Essas partes foram chamadas de quanta , e a própria ideia começou a construir uma nova teoria física - a mecânica quântica, que mudou ainda mais a mecânica newtoniana clássica, desta vez com tamanhos muito pequenos do sistema físico.

No mesmo ano de 1905, Albert Einstein aplicou a idéia de Planck para explicar com sucesso os experimentos sobre o efeito fotoelétrico, sugerindo que as ondas eletromagnéticas não são apenas emitidas, mas também absorvidas pelos quanta. A teoria corpuscular da luz, que parecia ter sofrido uma derrota esmagadora na luta contra a teoria das ondas, recebeu novamente apoio.

A controvérsia entre a teoria corpuscular e da onda encontrou sua solução no dualismo da onda corpuscular , uma hipótese formulada por Louis de Broglie . De acordo com essa hipótese, não apenas o quantum de luz, mas qualquer outra partícula exibe ao mesmo tempo as propriedades de ambos os corpúsculos e ondas. A hipótese de Louis de Broglie foi confirmada em experimentos de difração de elétrons .

Em 1911 , a Ernest Rutherford propôs a teoria planetária do átomo , e em 1913 por Niels Bohr construiu um modelo do átomo , que postulou a natureza quântica dos elétrons. Graças ao trabalho de Werner Heisenberg , Erwin Schrödinger , Wolfgang Pauli , Paul Dirac e muitos outros mecânicos quânticos, ele encontrou sua formulação matemática exata, apoiada por numerosas experiências. Em 1927 , uma interpretação de Copenhagen foi desenvolvida, que abriu o caminho para a compreensão das leis do movimento quântico em um nível qualitativo.

 


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