ฟิสิกส์คือ... วิทยาศาสตร์ที่แน่นอนฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและเชิงทดลองที่ศึกษาคุณสมบัติของสสาร พลังงาน เวลา และอวกาศ รวมถึง... ปฏิสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบทั้งหมดเหล่านี้วิธีการนี้อาศัยการสังเกต การตั้งสมมติฐาน และการตรวจสอบเชิงทดลอง เพื่อสร้างแบบจำลองที่อธิบายและทำนายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติได้อย่างแม่นยำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
หนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญของฟิสิกส์คือการแสวงหา... ความถูกต้องแม่นยำในข้อสรุปของพวกเขา และสิ่งเหล่านี้จะเป็น สามารถตรวจสอบได้ด้วยการทดลองที่ทำซ้ำได้ด้วยวิธีนี้ นักวิจัยคนใดก็ได้ในทุกที่ สามารถตรวจสอบผลลัพธ์ได้โดยทำตามขั้นตอนเดียวกัน นอกจากนี้ ฟิสิกส์ยังใช้ภาษาทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดในการแสดงกฎที่อธิบายความเป็นจริง ทำให้สามารถคาดการณ์เชิงปริมาณได้อย่างแม่นยำสูง
ฟิสิกส์อธิบายปรากฏการณ์ทางธรรมชาติผ่านกฎต่างๆ โดยเน้นเป็นพิเศษที่กระบวนการเหล่านั้น พวกมันไม่เปลี่ยนแปลงโครงสร้างโมเลกุลภายใน ของวัตถุ (กล่าวคือ โดยไม่กล่าวถึงการเปลี่ยนแปลงทางเคมีโดยตรง ซึ่งเป็นหัวข้อหลักของวิชาเคมี) ถึงกระนั้นก็ยังมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดระหว่างฟิสิกส์และเคมี โดยเฉพาะในด้านต่างๆ เช่น เคมีกายภาพซึ่งเป็นการศึกษาเรื่องสสารและพลังงานโดยการผสมผสานแนวคิดจากทั้งสองสาขาวิชา
มันมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับคณิตศาสตร์ เนื่องจากมันอาศัยคณิตศาสตร์เป็นพื้นฐาน เพื่อแสดงการศึกษาความเป็นจริง ซึ่งเป็นสิ่งที่เขาสนใจ ความเชื่อมโยงนี้ลึกซึ้งมาก จนในหลายกรณี ความก้าวหน้าทางคณิตศาสตร์ได้เปิดเส้นทางใหม่สำหรับการทำความเข้าใจจักรวาลทางกายภาพ และในทางกลับกัน ปัญหาที่เกิดจากฟิสิกส์ได้เป็นแรงบันดาลใจให้เกิดการพัฒนาสาขาใหม่ๆ ของคณิตศาสตร์
นอกจากนี้ ฟิสิกส์ยังครอบคลุมถึงเคมี ชีววิทยา อิเล็กทรอนิกส์ และวิทยาศาสตร์ธรรมชาติและวิทยาศาสตร์ประยุกต์อื่นๆ อีกมากมาย ไม่ใช่เพราะฟิสิกส์เข้ามาแทนที่วิทยาศาสตร์เหล่านั้น แต่เพราะ... มันเป็นกรอบของกฎหมายพื้นฐาน ซึ่งเป็นสาขาที่อธิบายปรากฏการณ์ที่สาขาวิชาเหล่านี้สังเกต ตัวอย่างเช่น ชีวฟิสิกส์ศึกษาเกี่ยวกับระบบสิ่งมีชีวิตจากมุมมองทางฟิสิกส์ ธรณีฟิสิกส์ศึกษาโลกโดยใช้หลักการทางฟิสิกส์ และฟิสิกส์ดาราศาสตร์ประยุกต์ใช้ฟิสิกส์ในการศึกษาวัตถุบนท้องฟ้า
ฟิสิกส์ศึกษาปรากฏการณ์ของสสาร โดยวางรากฐานทฤษฎีในระดับแรกบนพื้นฐานของ... กลศาสตร์คลาสสิกซึ่งเป็นที่มาของการวิเคราะห์กฎที่ควบคุมการเคลื่อนที่ ใน พลศาสตร์ไฟฟ้าแบบคลาสสิก สำหรับการศึกษาประจุแม่เหล็กไฟฟ้า ใน อุณหพลศาสตร์ เพื่อการศึกษาเกี่ยวกับความร้อนและพลังงานรูปแบบต่างๆ ใน กลศาสตร์ควอนตัมที่ ศึกษาธรรมชาติที่ตาชั่ง พื้นที่ขนาดเล็ก (อะตอม อิเล็กตรอน อนุภาคย่อยของอะตอม) และใน สถิติ เพื่อศึกษาความถี่และความน่าจะเป็นของการเกิดปรากฏการณ์ทางกายภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีอนุภาคจำนวนมหาศาลเกี่ยวข้อง เช่นที่เกิดขึ้นในก๊าซหรือในระบบที่ซับซ้อน
สาขาหลักของฟิสิกส์เรียงตามพัฒนาการทางประวัติศาสตร์
ในการศึกษาความเป็นจริง ฟิสิกส์มักถูกจัดระเบียบเป็นกลุ่มใหญ่ๆ ทางประวัติศาสตร์และแนวคิด ซึ่งช่วยให้เราเข้าใจว่าความรู้ทางวิทยาศาสตร์ได้พัฒนามาอย่างไร ตามธรรมเนียมแล้ว มีการแบ่งออกเป็นสามสาขาหรือสามขั้นตอนหลัก ซึ่งดำรงอยู่และเสริมซึ่งกันและกันในปัจจุบัน:
- ฟิสิกส์คลาสสิก
- ฟิสิกส์สมัยใหม่
- ฟิสิกส์ร่วมสมัย
แต่ละมุมมองเหล่านี้มุ่งเน้นไปที่ช่วงความเร็ว พลังงาน และขนาดที่เป็นลักษณะเฉพาะ ฟิสิกส์คลาสสิกครอบคลุมโลกมหภาคในชีวิตประจำวัน ฟิสิกส์สมัยใหม่ขยายกรอบไปสู่ระดับอะตอมและอนุอะตอม และความเร็วที่เข้าใกล้ความเร็วแสง และฟิสิกส์ร่วมสมัยมุ่งเน้นไปที่ระบบที่ซับซ้อน ปรากฏการณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้น และกระบวนการที่อยู่ห่างไกลจากสมดุล
ฟิสิกส์คลาสสิกถือว่าเป็นอย่างไร
มันถูกเรียกว่า ฟิสิกส์คลาสสิก ไปสู่ชุดของทฤษฎี แบบจำลอง และกฎที่ถูกกำหนดขึ้น ก่อนการกำเนิดของกลศาสตร์ควอนตัม และการรวบรวมทฤษฎีสัมพัทธภาพอย่างสมบูรณ์ นั่นคือ ครอบคลุมฟิสิกส์ที่พัฒนาขึ้นจากผลงานของกาลิเลโอ กาลิเลอี ไอแซค นิวตัน และนักวิทยาศาสตร์รุ่นหลังคนอื่นๆ ซึ่งอธิบายพฤติกรรมของวัตถุในโลกมาโครสโคปิกที่ความเร็วต่ำกว่าความเร็วแสงมาก
เรียกอีกอย่างว่า ฟิสิกส์แบบนิวตัน เพราะมันอาศัยกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันและแรงโน้มถ่วงสากลเป็นหลัก กฎเหล่านี้เป็นกรอบการทำงานที่สอดคล้องกันสำหรับการอธิบายทุกสิ่งทุกอย่าง ตั้งแต่การตกของแอปเปิลไปจนถึงวงโคจรของดาวเคราะห์ ทำให้มุมมองเกี่ยวกับจักรวาลในฐานะกลไกขนาดใหญ่ที่อยู่ภายใต้กฎที่ชัดเจนและแน่นอนนั้นแข็งแกร่งขึ้น
ในทางปฏิบัติ ฟิสิกส์คลาสสิกศึกษาปรากฏการณ์ที่มี ความเร็วน้อยกว่าความเร็วแสง และใคร มาตราส่วนเชิงพื้นที่นั้นใหญ่กว่าขนาดของอะตอมและโมเลกุลซึ่งรวมถึงทุกสิ่งทุกอย่าง ตั้งแต่การเคลื่อนที่ของยานพาหนะและเครื่องจักร ไปจนถึงการไหลของแม่น้ำ การแพร่กระจายของเสียงในอากาศ หรือพฤติกรรมของก๊าซในภาชนะบรรจุ
อีกวิธีหนึ่งในการอธิบายฟิสิกส์คลาสสิกคือ การกล่าวว่าฟิสิกส์คลาสสิกนั้นถือได้ว่าเป็นทฤษฎีเป็นส่วนใหญ่ กำหนดแน่นอนสถานะในอนาคตของระบบปิดสามารถทำนายได้อย่างสมบูรณ์หากทราบสถานะปัจจุบัน (ตำแหน่ง ความเร็ว แรงที่กระทำต่อระบบ ฯลฯ) อย่างแม่นยำ โดยอยู่ภายใต้เงื่อนไขความถูกต้องของแบบจำลองเสมอ
ในฟิสิกส์คลาสสิก โดยทั่วไปจะมีการแบ่งแยกดังนี้:
- ฟิสิกส์แบบนิวตันคลาสสิก (ก่อนยุคสัมพัทธภาพ): อิงตามกฎของนิวตันและแนวคิดเรื่องพื้นที่และเวลา สมบูรณ์และเป็นอิสระ.
- ฟิสิกส์คลาสสิกเชิงสัมพัทธภาพ: นำเสนอแนวคิดของ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ สำหรับปรากฏการณ์ที่มีความเร็วสูง แต่ไม่ได้เจาะลึกไปถึงคำอธิบายเชิงควอนตัมของสสาร ในบริบททางเทคนิคหลายๆ อย่าง ก็ถือว่าเป็นแบบคลาสสิกเช่นกัน ตราบใดที่ไม่ได้กล่าวถึงผลกระทบเชิงควอนตัมในระดับอะตอมหรืออนุอะตอม
ฟิสิกส์คลาสสิกศึกษาอะไร?
ฟิสิกส์คลาสสิกมุ่งเน้นการศึกษาในเรื่องต่อไปนี้:
- การเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดใหญ่ (ยานพาหนะ เครื่องจักร ดาวเคราะห์ วัตถุที่ถูกยิง) ด้วยความเร็วที่ต่ำกว่าความเร็วแสงมาก
- ปฏิสัมพันธ์ของแรง เช่น แรงโน้มถ่วง แรงยืดหยุ่น แรงเสียดทาน หรือแรงสู่ศูนย์กลาง ซึ่งเป็นตัวกำหนดวิถีการเคลื่อนที่และการเปลี่ยนแปลงของการเคลื่อนที่
- การแพร่กระจายของคลื่นกล เช่น เสียงในสื่อวัสดุที่แตกต่างกัน
- พฤติกรรมของไหล (ก๊าซและของเหลว) ทั้งที่เคลื่อนที่และหยุดนิ่ง รวมถึงความดัน อัตราการไหล ความปั่นป่วน และการไหล
- ปรากฏการณ์ทางความร้อนความร้อน อุณหภูมิ และพลังงานในระดับมหภาค
- ไฟฟ้าและแม่เหล็กแบบคลาสสิกอธิบายสนามและกระแสโดยไม่ต้องอาศัยแนวคิดควอนตัมเป็นอันดับแรก
เมื่อนำฟิสิกส์คลาสสิกมารวมกันแล้ว ปรากฏว่า... จำเป็นสำหรับวิศวกรรมสถาปัตยกรรม การก่อสร้าง การออกแบบเครื่องจักร อะคูสติกประยุกต์ ทัศนศาสตร์แบบดั้งเดิม และกิจกรรมทางเทคโนโลยีในชีวิตประจำวันอีกมากมาย
ความแตกต่างระหว่างฟิสิกส์คลาสสิกและฟิสิกส์สมัยใหม่
เมื่อเปรียบเทียบฟิสิกส์คลาสสิกกับฟิสิกส์สมัยใหม่ จะพบความแตกต่างอย่างลึกซึ้งในแนวทางการศึกษาปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์และในขนาดของระบบที่ศึกษา ฟิสิกส์สมัยใหม่เกิดขึ้นจากการผสมผสานของ กลศาสตร์ควอนตัม และ ทฤษฎีสัมพัทธภาพสิ่งนี้ทำให้ต้องมีการทบทวนหลักการบางประการของฟิสิกส์คลาสสิกที่เคยถูกมองว่าเป็นสากล
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างมุมมองทั้งสองมีดังต่อไปนี้:
- ช่วงความเร็วฟิสิกส์คลาสสิกมุ่งเน้นไปที่ความเร็วที่ต่ำกว่าความเร็วแสงมาก ในขณะที่ฟิสิกส์สมัยใหม่ พร้อมด้วยทฤษฎีสัมพัทธภาพ ได้รวมเอาปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นที่ความเร็วแสงเข้ามาด้วย ความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง.
- มาตราส่วนการศึกษาฟิสิกส์คลาสสิกอธิบายระบบต่างๆ ระดับมหภาค เช่น ดาวเคราะห์ เครื่องจักร ของเหลว หรือโครงสร้างต่างๆ ฟิสิกส์สมัยใหม่มุ่งเน้นไปที่ระดับต่างๆ ในระดับจุลภาคและระดับอะตอมย่อยโดยการวิเคราะห์อะตอม อิเล็กตรอน โฟตอน และอนุภาคพื้นฐาน
- ความมุ่งมั่นฟิสิกส์คลาสสิกมองระบบต่างๆ ว่า ผู้กำหนดโดยที่อนาคตถูกกำหนดขึ้นจากปัจจุบันโดยสิ้นเชิง ฟิสิกส์สมัยใหม่ โดยเฉพาะกลศาสตร์ควอนตัม ได้นำเสนอแนวคิดนี้ ความไม่แน่นอนและความน่าจะเป็น ถือเป็นองค์ประกอบพื้นฐานเมื่อใช้ในการอธิบายสถานะของระบบ
- พื้นที่และเวลาในฟิสิกส์คลาสสิก อวกาศและเวลาคือ ขนาดที่เป็นอิสระและสัมบูรณ์ในฟิสิกส์สัมพัทธภาพสมัยใหม่ อวกาศและเวลาจะรวมกันเป็น เวลาอวกาศและการวัดค่าต่างๆ นั้นขึ้นอยู่กับผู้สังเกตการณ์และความเร็วในการเคลื่อนที่ของมัน
- คำอธิบายเกี่ยวกับการโต้ตอบฟิสิกส์คลาสสิกอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น แรงโน้มถ่วง ไฟฟ้า และแม่เหล็ก โดยไม่ต้องอาศัยอนุภาคที่นำพาปฏิสัมพันธ์ ฟิสิกส์สมัยใหม่จึงเจาะลึกเข้าไปในปฏิสัมพันธ์มากขึ้นผ่านทาง... สนามและอนุภาค (ตัวอย่างเช่น โฟตอน โบซอน และอนุภาคอื่นๆ ในแบบจำลองมาตรฐาน)
- แอปพลิเคชัน típicasฟิสิกส์คลาสสิกถูกนำมาประยุกต์ใช้ด้วยความสำเร็จอย่างมหาศาลใน วิศวกรรม, กลศาสตร์, การก่อสร้าง, อะคูสติก, ทัศนศาสตร์แบบดั้งเดิม และเทคโนโลยีในชีวิตประจำวันส่วนใหญ่ ฟิสิกส์สมัยใหม่ถูกนำไปประยุกต์ใช้เป็นหลักในด้านต่างๆ เหล่านี้ อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง พลังงานนิวเคลียร์ สารกึ่งตัวนำ ฟิสิกส์อนุภาคจักรวาลวิทยาและเทคโนโลยีล้ำสมัย
สาขาฟิสิกส์คลาสสิก
ฟิสิกส์คลาสสิกครอบคลุมหลากหลายสาขาวิชา และเป้าหมายหลักคือการศึกษาปรากฏการณ์ที่แสดงให้เห็นถึง... ความเร็วต่ำกว่าความเร็วแสง และสิ่งเหล่านี้ปรากฏให้เห็นในระดับมหภาค สาขาเหล่านี้ยังคงเป็นพื้นฐานสำคัญในปัจจุบัน ทั้งในวิทยาศาสตร์พื้นฐานและในเทคโนโลยีมากมาย
สาขาที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์คลาสสิก ได้แก่:
- กลศาสตร์คลาสสิก
- อุณหพลศาสตร์
- แม่เหล็กไฟฟ้า (ไฟฟ้าและแม่เหล็กแบบคลาสสิก)
- เลนส์
- อะคูสติก
- กลศาสตร์ของไหล หรือ พลศาสตร์ของไหล
แต่ละสาขาวิชาเหล่านี้ศึกษาปรากฏการณ์เฉพาะประเภทหนึ่ง แม้ว่าในทางปฏิบัติแล้วมักจะมีความสัมพันธ์กัน ตัวอย่างเช่น การออกแบบเครื่องยนต์สันดาปภายในเกี่ยวข้องกับ... กลศาสตร์, อุณหพลศาสตร์ y กลศาสตร์ของไหลการพัฒนาระบบเสียงระดับมืออาชีพนั้นต้องอาศัยความเชี่ยวชาญ อะคูสติก y แม่เหล็กไฟฟ้า.
กลศาสตร์คลาสสิก
กลศาสตร์คลาสสิกเป็นวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับ กฎการเคลื่อนที่ของนิวตันนี่หมายถึงพฤติกรรมของวัตถุทางกายภาพขนาดใหญ่ทั้งในสภาวะหยุดนิ่งและขณะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ต่ำกว่าความเร็วแสงมาก เป็นการวิเคราะห์ว่าแรงกระทำต่อวัตถุอย่างไร และแรงเหล่านั้นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสถานะการเคลื่อนที่ของวัตถุอย่างไร
ทั้งกลศาสตร์คลาสสิกและฟิสิกส์คลาสสิกโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับกฎของนิวตันโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่อง กฎการเคลื่อนที่ของวัตถุในจักรวาล (ความเฉื่อย ความสัมพันธ์ระหว่างแรงและความเร่ง และกฎการกระทำและปฏิกิริยา) กฎเหล่านี้ช่วยให้เราสามารถอธิบายทุกสิ่งได้ ตั้งแต่การเคลื่อนที่ของลูกตุ้มไปจนถึงวิถีโคจรของดาวเทียมรอบโลก
ในกลศาสตร์คลาสสิก สามารถแบ่งแนวทางหลักออกเป็นสองแนวทางได้ดังนี้:
- กลศาสตร์เวกเตอร์วิธีการนี้อิงตามกฎของนิวตันโดยตรง โดยใช้เวกเตอร์ในการแทนปริมาณต่างๆ เช่น แรง ความเร็ว และความเร่ง เป็นวิธีที่เข้าใจง่ายที่สุดและนิยมใช้มากที่สุดในปัญหาทางวิศวกรรมและเทคโนโลยี
- กลศาสตร์เชิงวิเคราะห์ทฤษฎีนี้ใช้สูตรทางคณิตศาสตร์ที่เป็นนามธรรมมากขึ้น (กลศาสตร์ลากรางจ์และกลศาสตร์แฮมิลตัน) เพื่ออธิบายการเคลื่อนที่ แนวทางนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในระบบที่ซับซ้อนซึ่งมีหลายระดับความเป็นอิสระ และวางรากฐานสำหรับการพัฒนาในฟิสิกส์เชิงทฤษฎีในอนาคต
ตัวอย่างการประยุกต์ใช้กลศาสตร์คลาสสิกในทางปฏิบัติ ได้แก่:
- วิศวกรรมเครื่องกลเพื่อออกแบบกลไก โครงสร้าง และเครื่องจักรที่สามารถทนต่อแรงและทำงานได้อย่างปลอดภัย
- การทำนายวิถีโคจร ในด้านกีฬา วิถีกระสุน และการนำทาง การคำนวณมุมและความเร็วที่เหมาะสมที่สุด
- การคำนวณวงโคจร ของดาวเทียมและยานอวกาศในสภาวะที่วิธีการแบบดั้งเดิมยังคงใช้ได้อยู่
อุณหพลศาสตร์
อุณหพลศาสตร์เป็นวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับ... คำอธิบายเกี่ยวกับสภาวะสมดุลทางเทอร์โมไดนามิก ในระดับมหภาค เป็นการศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างความร้อนและพลังงานรูปแบบอื่น ๆ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นในระบบทางกายภาพ
ตัวแปรหลักที่เขาใช้ในการอธิบายสถานการณ์ต่างๆ คือ อุณหภูมิที่ ความดัน, ปริมาณ และ y จำนวนโมล ของสาร จากขนาดเหล่านี้ จึงได้มีการกำหนดกฎต่างๆ เช่น การอนุรักษ์พลังงาน (กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์) และแนวโน้มตามธรรมชาติที่จะเพิ่มความไม่เป็นระเบียบหรือเอนโทรปี (กฎข้อที่สอง)
เป็นที่เข้าใจกันโดย สมดุลทางความร้อน สมดุลทางความร้อนคือสภาวะที่อุณหภูมิของวัตถุสองชิ้นซึ่งเดิมมีอุณหภูมิแตกต่างกันนั้นเท่ากัน เมื่ออุณหภูมิเท่ากันแล้ว การไหลของความร้อนระหว่างวัตถุทั้งสองจะหยุดลง และวัตถุทั้งสองจะเข้าสู่สภาวะนี้
ตัวอย่างคลาสสิกของแนวคิดนี้คือการใช้ เครื่องวัดอุณหภูมิเทอร์โมมิเตอร์เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดอุณหภูมิของตัวมันเอง ในการวัดอุณหภูมิของวัตถุหรือสารอื่น จะต้องนำทั้งสองมาสัมผัสกันจนกว่าจะถึงสภาวะสมดุลทางความร้อน เนื่องจากในสภาวะสมดุลทางความร้อน ทั้งวัตถุและเทอร์โมมิเตอร์จะมีอุณหภูมิเท่ากัน ดังนั้นค่าที่อ่านได้จากเทอร์โมมิเตอร์จึงเท่ากับอุณหภูมิของวัตถุที่กำลังเปรียบเทียบด้วย
การศึกษาว่าระบบต่างๆ ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมอย่างไรนั้น มีประโยชน์ในสาขาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์หลากหลายแขนง อุณหพลศาสตร์มีบทบาทสำคัญในการออกแบบ เครื่องยนต์ ตู้เย็น โรงไฟฟ้า และในกระบวนการทางอุตสาหกรรมแทบทุกประเภทที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงานและสสาร
ต่อไปนี้คือตัวอย่างการประยุกต์ใช้เทอร์โมไดนามิกส์:
- ใน วิศวกรรมวัสดุ พวกเขาวิ่ง การถ่ายเทความร้อนและพลังงาน เพื่อนำไปใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตวัสดุใหม่ ตัวอย่างเช่น กระบวนการเผาเซรามิกที่อุณหภูมิสูง ซึ่งคุณสมบัติสุดท้าย (ความแข็ง ความทนทาน สี) จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระยะเวลาที่ใช้ในการเผา
- ในระดับอุตสาหกรรม กระบวนการต่างๆ เช่น พาสเจอร์ไรซ์ และการผลิตของ ชีสและเนย โดยใช้การถ่ายเทความร้อนอย่างควบคุม เพื่อรับประกันความปลอดภัยของอาหารและคุณสมบัติทางประสาทสัมผัสของผลิตภัณฑ์
- ใน อุตสาหกรรมเหล็กเหล็กกล้าชนิดต่างๆ ผลิตขึ้นโดยการหลอมรวมสารต่างๆ ในเตาหลอมที่มีอุณหภูมิสูงมาก โดยควบคุมส่วนประกอบและรอบความร้อนอย่างระมัดระวัง
- ใน การสร้างพลังงานโรงไฟฟ้าพลังงานความร้อน พลังงานนิวเคลียร์ หรือพลังงานแบบผสมผสาน อาศัยหลักการของวัฏจักรทางเทอร์โมไดนามิก (เช่น วัฏจักรคาร์โนต์ วัฏจักรแรงคิน หรือวัฏจักรเบรย์ตัน) ในการแปลงความร้อนเป็นงานเชิงกล และจากนั้นแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า
แม่เหล็กไฟฟ้า
ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็กได้รับการศึกษาและรวมเข้าเป็นทฤษฎีเดียวผ่านทาง... แม่เหล็กไฟฟ้า. ไมเคิล ฟาราเดย์ และ เจมส์ คลาร์ก แม็กซ์เวลล์ พวกเขาเป็นผู้บุกเบิกคนสำคัญกลุ่มแรกๆ ในการวางรากฐานของทฤษฎีนี้ โดยแสดงให้เห็นว่าไฟฟ้า แม่เหล็ก และแสง เป็นส่วนหนึ่งของปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์เดียวกัน
แม่เหล็กไฟฟ้ามีพื้นฐานมาจาก... สมการเชิงอนุพันธ์เวกเตอร์สี่สมการของแม็กซ์เวลล์สมการเหล่านี้เชื่อมโยงสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเข้ากับแหล่งกำเนิดวัสดุ (ประจุไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า) ที่เกี่ยวข้อง โดยแสดงให้เห็นว่า สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจะสร้างสนามแม่เหล็ก และในทางกลับกัน ซึ่งอธิบายถึงการแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้ารวมถึง กระแสไฟฟ้าที่ การโพลาไรซ์ทางไฟฟ้า และ การโพลาไรซ์แม่เหล็กแม่เหล็กไฟฟ้าอธิบายถึงปรากฏการณ์ทางกายภาพระดับมหภาคที่เกี่ยวข้องกับประจุไฟฟ้าทั้งที่หยุดนิ่งและเคลื่อนที่ รวมถึงผลกระทบของสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าต่อสารที่เป็นของเหลว ของแข็ง และก๊าซ
ตัวอย่างการใช้งานแม่เหล็กไฟฟ้าในชีวิตประจำวันนั้นเห็นได้ชัดเจนใน... มอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า หรือในทางกลับกัน
- มันถูกเรียกว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, อัลเทอร์เนเตอร์ หรือ ไดนาโม ไปยังอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า
- มันถูกเรียกว่า มอเตอร์ไฟฟ้า ไปยังอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลที่มีประโยชน์
อีกหนึ่งตัวอย่างคลาสสิกของแม่เหล็กไฟฟ้าคือ เข็มทิศการเคลื่อนที่ของเข็มเข็มทิศนั้นอาศัยหลักการทางแม่เหล็กที่เกี่ยวข้องกับขั้วโลกของโลก และปฏิกิริยาระหว่างสนามแม่เหล็กโลกกับแม่เหล็กของเข็มทิศ นอกจากนี้ ยังมีหลักการทางไฟฟ้าและแม่เหล็กอย่างง่ายเข้ามาเกี่ยวข้อง ทำให้เข็มสามารถหันไปในทิศเหนือ-ใต้ได้
นอกเหนือจากอุปกรณ์เหล่านี้แล้ว แม่เหล็กไฟฟ้ายังเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีต่างๆ เช่น การสื่อสารไร้สาย (วิทยุ โทรทัศน์ โทรศัพท์มือถือ) หม้อแปลงและสายส่ง ของพลังงาน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (วงจรรวม, คอมพิวเตอร์) และระบบของ การวินิจฉัยทางการแพทย์ เช่น การเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์
ระบบเลนส์
ทัศนศาสตร์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาเกี่ยวกับ... รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงคลื่นแสงคุณสมบัติและการปฏิสัมพันธ์ของแสงกับสสาร โดยเน้นเป็นพิเศษที่การแพร่กระจาย การสะท้อน การหักเห และปรากฏการณ์การแทรกสอดและการเลี้ยวเบน
จากมุมมองของการรับรู้ของมนุษย์ แสงคือช่วงของ... ความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นความยาวคลื่นที่ตาของมนุษย์สามารถตรวจจับได้ และศาสตร์ด้านทัศนศาสตร์ก็คือศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ความยาวคลื่นเหล่านั้น อย่างไรก็ตาม สาขาทัศนศาสตร์สมัยใหม่ยังขยายไปถึงความยาวคลื่นที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า โดยใช้หลักการที่คล้ายคลึงกัน
ทัศนศาสตร์เชิงฟิสิกส์มุ่งเน้นไปที่... การค้นพบและการประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์ใหม่จากพื้นฐานนี้ นักวิจัยจึงใช้และพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงครอบคลุมสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมด ตั้งแต่เลเซอร์กำลังสูงไปจนถึงไดโอดเปล่งแสง (LED) พลังงานต่ำ
ทัศนศาสตร์มีผลกระทบอย่างมากต่อ... เครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ (กล้องจุลทรรศน์, กล้องโทรทัศน์, เครื่องสเปกโทรเมตร) ใน คมนาคม (ใยแก้วนำแสง, ระบบส่งข้อมูล) และใน มาตรวิทยา (การวัดระยะทาง เวลา และค่าคงที่ทางฟิสิกส์อย่างแม่นยำ) นอกจากนี้ยังมีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านเลนส์แก้ไขสายตาและเลนส์ทางการแพทย์ เช่น แว่นตา คอนแทคเลนส์ และอุปกรณ์ผ่าตัดที่ใช้เลเซอร์
อะคูสติก
อะคูสติกส์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาเกี่ยวกับ... คลื่นกล การแพร่กระจายของคลื่นผ่านสสารในทุกสถานะ (ของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ) โดยใช้แบบจำลองทางฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ โดยเน้นที่เสียง คลื่นเสียงความถี่ต่ำ และคลื่นเสียงความถี่สูง วิเคราะห์ว่าคลื่นเหล่านี้เกิดขึ้น แพร่กระจาย และรับรู้ได้อย่างไร
วิชาอะคูสติกศึกษาทุกสิ่งที่เกี่ยวข้องกับ... การผลิต การส่ง การจัดเก็บ การรับรู้ และการสร้างเสียงขึ้นใหม่การประยุกต์ใช้ทางด้านเทคโนโลยีของเสียงนั้น จะถูกกล่าวถึงโดยสิ่งที่เรียกว่า... วิศวกรรมเสียงซึ่งเกี่ยวข้องกับการออกแบบห้องแสดงคอนเสิร์ต สตูดิโอบันทึกเสียง ระบบเสียง ฉนวนกันเสียงในอาคาร และโซลูชันเชิงปฏิบัติอื่นๆ อีกมากมาย
ตัวอย่างของฟิสิกส์เชิงเสียง ได้แก่:
- อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อการสื่อสารที่มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นเช่น ลำโพง หูฟัง โทรศัพท์ และระบบกระจายเสียงสาธารณะ
- การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์โดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ซึ่งมีประสิทธิภาพในการสร้างภาพของร่างกายมนุษย์ (อัลตราซาวนด์) และในขั้นตอนการรักษาที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูง
- ไมโครโฟนซึ่งแปลงคลื่นเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อการบันทึก การขยายเสียง หรือการส่งสัญญาณ
นอกจากนี้ ศาสตร์ด้านเสียงยังครอบคลุมถึงสาขาต่างๆ เช่น เสียงดนตรี (การศึกษาเกี่ยวกับเครื่องดนตรี เสียง และบันไดเสียง) จิตอะคูสติก (การรับรู้เสียงโดยระบบการได้ยินของมนุษย์) และ เสียงสิ่งแวดล้อม (การควบคุมเสียงรบกวนและมลภาวะทางเสียงในเขตเมืองและเขตอุตสาหกรรม)
พลศาสตร์ของไหล หรือ กลศาสตร์ของไหล
กลศาสตร์ของไหล หรือพลศาสตร์ของไหล เป็นสาขาย่อยของกลศาสตร์ต่อเนื่องที่เกี่ยวข้องกับ... การศึกษาการเคลื่อนที่ของของเหลว (ของเหลวและก๊าซ) และแรงที่ทำให้เกิดการเคลื่อนที่เหล่านั้น วิชานี้วิเคราะห์ทั้งของเหลวที่หยุดนิ่ง (สถิตศาสตร์ของไหล) และของเหลวที่เคลื่อนที่ (พลศาสตร์ของไหล) โดยพิจารณาถึงผลกระทบต่างๆ เช่น ความหนืด ความดัน ความเร็วการไหล และความปั่นป่วน
ใน วิศวกรรมเคมี วิศวกรรมโยธา วิศวกรรมอุตสาหกรรม การบิน อุตุนิยมวิทยา การต่อเรือ และสมุทรศาสตร์การนำกลศาสตร์ของไหลมาใช้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะช่วยในการออกแบบท่อ ปั๊ม ปีกเครื่องบิน ตัวเรือ ระบบจ่ายน้ำ ระบบระบายอากาศ และการพยากรณ์อากาศ
แนวคิดหลักบางประการในกลศาสตร์ของไหล ได้แก่:
- ความดันและอัตราการไหลซึ่งมีความสัมพันธ์กันผ่านหลักการต่างๆ เช่น หลักการของเบอร์นูลลี
- ระบอบการไหลแบบราบเรียบและแบบปั่นป่วนซึ่งอธิบายลักษณะของการเคลื่อนที่ของของเหลวตามความเร็วและความหนืด
- ความหนืดซึ่งเป็นการวัดความต้านทานภายในของของเหลวต่อการไหล ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในกระบวนการขนส่งและการผสม
ฟิสิกส์สมัยใหม่
ฟิสิกส์สมัยใหม่ถือกำเนิดขึ้นเมื่อข้อจำกัดของฟิสิกส์คลาสสิกปรากฏชัดในการพยายามอธิบายปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับ ความเร็วสูงมาก หรือเพื่อ ขนาดเล็กมากเช่น อะตอมและอนุภาคย่อยของอะตอม สาขานี้เรียกอีกอย่างว่า ในหลายบริบท ฟิสิกส์ควอนตัม (แม้ว่าฟิสิกส์สมัยใหม่จะรวมถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพด้วยก็ตาม) นั้นมีพื้นฐานมาจาก ทฤษฎีควอนตัม และใน ทฤษฎีสัมพัทธภาพ.
การพัฒนาของฟิสิกส์สมัยใหม่ได้รับการเสริมสร้างให้แข็งแกร่งขึ้นด้วยข้อเสนอของ... การหาปริมาณพลังงานทฤษฎีนี้ถูกคิดค้นขึ้นเพื่ออธิบายการแผ่รังสีของวัตถุดำ และต่อมาได้มีการพัฒนาต่อยอดเพื่อแสดงให้เห็นว่าพลังงานไม่ได้ถูกแลกเปลี่ยนอย่างต่อเนื่อง แต่เกิดขึ้นในหน่วยเล็กๆ ที่เรียกว่า... เท่าไหร่แนวคิดนี้ถูกเสนอขึ้นในปี ค.ศ. 1900 โดย แม็กซ์ พลังค์ (1858-1947) และได้รับการเสริมกำลังโดย อัลเบิร์ Einstein คำนี้ถูกใช้ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1905 เมื่ออธิบายถึงปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก และในช่วงทศวรรษ ค.ศ. 1920 คำนี้ก็ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลาย กลศาสตร์ควอนตัม เพื่ออธิบายทฤษฎีใหม่เหล่านี้
ต่อมามันถูกเรียกว่า กลศาสตร์ควอนตัม ไปยังสาขาฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น ความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง (เมื่อรวมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ) หรือซึ่ง มาตราส่วนเชิงพื้นที่ อยู่ในระดับประมาณ อะตอมและโมเลกุลกลศาสตร์ควอนตัมอธิบายพฤติกรรมของอนุภาคต่างๆ เช่น อิเล็กตรอน โปรตอน นิวตรอน โฟตอน และอื่นๆ อีกมากมาย โดยนำเสนอหลักการต่างๆ เช่น หลักการความไม่แน่นอน และภาวะทวิภาวะของคลื่นและอนุภาค
ฟิสิกส์สมัยใหม่ศึกษาลักษณะ พฤติกรรม และ การแผ่รังสีของอนุภาคในระดับอะตอมและย่อยผลงานที่โดดเด่นของเขา ได้แก่ การอธิบายสเปกตรัมการปล่อยแสงของอะตอม โครงสร้างของพันธะเคมี การนำไฟฟ้าในของแข็ง ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก และอื่นๆ อีกมากมาย ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญของเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน
กลศาสตร์ควอนตัม ร่วมกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ ประกอบกันเป็นสิ่งที่เราเรียกกันในปัจจุบันว่า กลศาสตร์ควอนตัม ฟิสิกส์สมัยใหม่แนวคิดเหล่านี้เป็นพื้นฐานสำคัญในการทำความเข้าใจ:
- สารกึ่งตัวนำและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เช่น ทรานซิสเตอร์ ไดโอด และวงจรรวม
- พลังงานนิวเคลียร์ และกระบวนการฟิชชันและฟิวชัน
- ฟิสิกส์ของอนุภาคซึ่งเป็นการศึกษาอนุภาคพื้นฐานและแรงพื้นฐานของธรรมชาติ
- จักรวาลวิทยาเชิงฟิสิกส์ซึ่งศึกษาเกี่ยวกับต้นกำเนิด โครงสร้าง และวิวัฒนาการในระดับใหญ่ของจักรวาล
ฟิสิกส์ร่วมสมัย
ฟิสิกส์ร่วมสมัยเป็นสาขาความรู้ทางฟิสิกส์ที่ทันสมัยและก้าวหน้าที่สุด จุดเริ่มต้นของฟิสิกส์ร่วมสมัยอยู่ในช่วงที่หลังจากทฤษฎีควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพได้รับการพัฒนาอย่างมั่นคงแล้ว ปรากฏการณ์และระบบที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นซึ่งไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองเชิงเส้นอย่างง่ายก็เริ่มได้รับการศึกษา
ฟิสิกส์ร่วมสมัยเกี่ยวข้องกับการศึกษาเรื่อง ความซับซ้อนของธรรมชาติปรากฏการณ์ในระดับหนึ่ง ระดับนาโนสโคปิก และ กระบวนการที่อยู่นอกสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกหมวดหมู่นี้รวมถึงสาขาต่างๆ ดังต่อไปนี้ ทฤษฎีความโกลาหล และ ความปั่นป่วนซึ่งอธิบายถึงระบบที่มีความไวสูงต่อเงื่อนไขเริ่มต้นและมีพฤติกรรมที่ดูเหมือนคาดเดาไม่ได้
หัวข้อสำคัญบางประการของฟิสิกส์ร่วมสมัย ได้แก่:
- ทฤษฎีความโกลาหลสาขาวิชานี้เน้นการศึกษาเกี่ยวกับระบบทางกายภาพที่ซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา โดยใช้สมการเชิงอนุพันธ์และเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ขั้นสูง ช่วยให้เราเข้าใจปรากฏการณ์ทางอุตุนิยมวิทยา พลวัตของประชากร การแกว่งแบบไม่เชิงเส้น และระบบต่างๆ มากมายที่การเปลี่ยนแปลงเริ่มต้นเพียงเล็กน้อยสามารถก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในวิวัฒนาการของระบบได้
- นาโนเทคโนโลยีและฟิสิกส์สสารควบแน่นซึ่งเป็นการศึกษาวัสดุและโครงสร้างในระดับนาโน ทำให้เกิดคุณสมบัติใหม่ๆ เช่น สภาพนำยิ่งยวด แม่เหล็กขนาดเล็ก หรือวัสดุอัจฉริยะ
- ระบบที่ไม่อยู่ในภาวะสมดุลในกรณีที่อุณหพลศาสตร์สมดุลแบบคลาสสิกไม่เพียงพอ และจำเป็นต้องมีแนวทางใหม่ในการอธิบายการไหลของพลังงาน การจัดระเบียบตนเอง และปรากฏการณ์ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้
ด้วยความก้าวหน้าของฟิสิกส์สมัยใหม่ ทำให้เกิดสาขาการวิจัยใหม่ๆ มากมาย ตั้งแต่การออกแบบ วัสดุขั้นสูง และอุปกรณ์ควอนตัมไปจนถึงการศึกษา ระบบชีวภาพที่ซับซ้อนรวมถึงการวิเคราะห์อย่างละเอียดเกี่ยวกับสภาพภูมิอากาศโลกและพลวัตของพลาสมาในบริบททางดาราศาสตร์ฟิสิกส์และเทคโนโลยี
รู้จักไฟล์ สาขาฟิสิกส์คลาสสิก และความสัมพันธ์ของมันกับฟิสิกส์สมัยใหม่และร่วมสมัยช่วยให้เราเข้าใจโครงสร้างของวิทยาศาสตร์ธรรมชาติได้ดียิ่งขึ้น และเข้าใจว่าทำไม แม้จะมีความก้าวหน้าอย่างมาก กฎและแบบจำลองแบบคลาสสิกยังคงเป็นเครื่องมือสำคัญในการอธิบายโลกที่เราอาศัยอยู่ และในการพัฒนาโซลูชันทางเทคโนโลยีในหลากหลายสาขา