Традиционно гвоздика встречается практически в каждом рецепте пряников и пуншей. Эта пряность улучшает вкус соусов, а также мясных и овощных блюд. Ученые обнаружили, что пряная гвоздика является прекрасным антиоксидантом и поэтому подходит для укрепления защитных сил организма.
Читать полностьюРубрика: Здоровый образ жизни
Черемша (дикий чеснок) - своего рода предвестник весны, которого ждут с нетерпением. Это неудивительно, ведь нежные зеленые листья дикого чеснока являются не только кулинарной, но и полезной для здоровья изюминкой! Черемша выводит токсины, снижает кровяное давление и уровень холестерина. Она борется с существующим атеросклерозом и защищает организм от бактерий и грибков. В дополнение к большому количеству витаминов и питательных веществ, дикий чеснок также содержит активный ингредиент аллиин - природный антибиотик с разнообразным целебным действием.
Рубрика: Здоровый образ жизни
Зима – время гриппа. Ежегодная волна заболеваний гриппом обычно начинается в январе и длится три-четыре месяца. Можно ли предотвратить грипп? Как защитить себя от гриппа? Является ли вакцина против гриппа действительно единственной альтернативой или есть другие способы? Что конкретно можно сделать для укрепления иммунной системы и предотвращения гриппа естественными способами, вы узнаете в нашей статье.
Рубрика: Здоровый образ жизни
Существует множество лекарственных растений от простудных заболеваний. В нашей статье вы познакомитесь с наиболее важными травами, которые помогут вам быстрее справиться с простудой и стать сильнее. Вы узнаете, какие растения помогают при насморке, оказывают противовоспалительное действие, облегчают боль в горле и успокаивают кашель.
Как стать счастливым? Несколько шагов к счастью Рубрика: Психология отношений
Ключи к счастью находятся не так далеко, как это может показаться. Есть вещи, которые омрачают нашу действительность. От них необходимо избавляться. В нашей статье мы познакомим вас с несколькими шагами, с помощью которых ваша жизнь станет ярче, и вы почувствуете себя счастливее.
Учимся извиняться правильно Рубрика: Психология отношений
Человек может быстро что-то сказать и даже не заметить, что он кого-то обидел. В мгновение ока может разгореться ссора. Одно плохое слово следует за следующим. В какой-то момент ситуация настолько накаляется, что, похоже, из нее уже нет выхода. Единственное спасение - чтобы один из участников ссоры остановился и извинился. Искренне и дружелюбно. Ведь холодное «Извините» не вызывает никаких эмоций. Правильное извинение - лучший лекарь для отношений в каждой жизненной ситуации.
Рубрика: Психология отношений
Сохранять гармоничные отношения с партнером - это не просто, но бесконечно важно для нашего здоровья. Можно правильно питаться, регулярно заниматься спортом, иметь прекрасную работу и много денег. Но ничто из этого не поможет, если у нас есть проблемы в отношениях с дорогим человеком. Поэтому так важно, чтобы наши отношения были гармоничными, а как этого добиться, помогут советы в данной статье.
Неприятный запах изо рта: в чем причина? Рубрика: Здоровый образ жизни
Плохой запах изо рта - довольно неприятный вопрос не только для самого виновника этого запаха, но и для его близких. Неприятный запах в исключительных случаях, например, в виде чесночной пищи, прощается всем. Хронический плохой запах изо рта, однако, может легко продвигать человека к социальному офсайду. Так не должно происходить, потому что причина неприятного запаха изо рта может быть в большинстве случаев относительно легко обнаружена и устранена.
Рубрика:
Спальня всегда должна быть оазисом мира и благополучия. Очевидно поэтому многие люди хотят украсить спальню комнатными растениями. Но целесообразно ли это? И если да, то какие растения подходят для спальной комнаты?
Современные научные знания порицают древнюю теорию о том, что цветы в спальне неуместны. Раньше считалось, что зеленые и цветущие растения ночью потребляют много кислорода и могут вызвать проблемы со здоровьем. На самом деле комнатные растения имеют минимальную потребность в кислороде.
Читать полностьюСекреты ночной фотосъемки Рубрика: Фотография
Какие же настройки камеры следует использовать при длительной экспозиции, ночной фотосъемке и фотосъемке с низким уровнем освещения? В нашей статье мы собрали несколько советов и рекомендаций, которые помогут Вам сделать качественные ночные фотографии.
История физика
Федеральное государственное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
Черногорский механико-технологический техникум
по дисциплине: Физика
выполнил:
студент 1 курса
специальности
"Теплоснабжения и
теплотехнического
оборудования"
Крылов А.Е.
проверил: Тимошкин А.И.
Черногорск 2009
План
1.История физики
2. Предмет и структура физики
3. Основные этапы истории развития физики
4. Связь современной физики с техникой и другими естественными науками
5. Роль тепловых машин в жизни человека
1. История физики
Физика (греч. ta physika, от physis - природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. По изучаемым объектам физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля.
Физика начала развиваться еще до н. э. (Демокрит, Архимед и др.); в 17 в. создается классическая механика (И. Ньютон); к кон. 19 в. было в основном завершено формирование классической физики. В нач. 20 в. в физике происходит революция, она становится квантовой (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор). В 20-е гг. была разработана квантовая механика - последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак). Одновременно (в нач. 20 в.) появилось новое учение о пространстве и времени - теория относительности (А. Эйнштейн), физика делается релятивистской. Во 2-й пол. 20 в. происходит дальнейшее существенное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми, Р. Фейнман, М. Гелл-Ман и др.), конденсированных сред (Д. Бардин, Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбов и др.).
Физика стала источником новых идей, преобразовавших современную технику: ядерная энергетика (И. В. Курчатов), квантовая электроника (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс), микроэлектроника, радиолокация и др. возникли и развились в результате достижений физики.
2. Предмет и структура физики
Греческое слово физика (от цэуйт - природа) означает науку о природе. В эпоху ранней греч. культуры наука была еще нерасчленённой и охватывала всё, что было известно о земных и небесных явлениях. В Англии до настоящего времени за Ф. сохранилось наименование «натуральной философии». По мере накопления фактич. материала и его научного обобщения, по мере дифференциации научных знаний и методов исследования из натурфилософии, как общего учения о природе, выделились астрономия, физика, химия, биология, геология, технич. науки.
Границы, отделяющие Ф. от других дисциплин, никогда не были чёткими. Круг явлений, изучавшихся Ф., в разные периоды её истории изменялся. Напр., в 18 в. кристаллы изучались только минералогией; в 20 в. строение и физич. свойства кристаллов являются предметом кристаллофизики. Поэтому попытки дать строгое определение Ф. как науки путём ограничения класса изучаемых ею объектов оказываются неудачными. У любого объекта имеются такие общие свойства (механические, электрические и т. д.), к-рые служат предметом изучения Ф. Вместе с тем было бы неправильно сохранить и старое определение Ф. как науки о природе. Ближе всего к истине определение современной Ф. как науки, изучающей общие свойства и законы движения вещества и поля. Это определение даёт возможность уяснить взаимоотношения Ф. с другими естественными науками. Оно объясняет, почему Ф. играет столь большую роль в современном естествознании.
Ф. середины 20 в. можно разделить: по изучаемым объектам - на молекулярную Ф., атомную Ф., электронную Ф. (включая учение об электромагнитном поле), ядерную Ф., физику элементарных частиц, учение о гравитационном поле; а по процессам и явлениям - на механику и акустику, учение о теплоте, учение об электричестве и магнетизме, оптику, учение об атомных и ядерных процессах. Эти два способа подразделения Ф. частично перекрываются, поскольку между объектами и процессами имеется определённое соответствие. Важно подчеркнуть, что между различными разделами Ф. также нет резких граней. Напр., оптика в широком смысле слова (как учение об электромагнитных волнах) может рассматриваться как часть электричества, Ф. элементарных частиц обычно относят к ядерной Ф.
Наиболее общими теориями современной Ф. являются: теория относительности, квантовая механика, статистич. Ф., общая теория колебаний и волн. По методам исследования различают экспериментальную Ф. и теоретич. Ф. По целям исследования часто выделяют также прикладную Ф.
Широкая разветвлённость современной Ф., её тесная связь с другими отраслями естествознания и техникой обусловили появление многих пограничных дисциплин. В течение 19 и 20 вв. в пограничных областях образовался ряд научных дисциплин: астрофизика, геофизика, биофизика, агрофизика, химич. Ф.; развились физико-технич. науки: тепло-физика, электрофизика, радиофизика, металлофизика, прикладная оптика, электроакустика и др.
Такой раздел Ф., как механика, в 19 в. выделился в самостоятельную науку со своими специфич. методами и областями применения. Современная механика, охватывающая механику точки и системы точек, теорию упругости, гидродинамику и аэродинамику, составляет основу учения о механизмах, о прочности и устойчивости сооружений, основу авиации и гидротехники.
3. Основные этапы истории развития физики
Предыстория физики . Наблюдение физических явлений происходило еще в глубокой древности. В то время процесс накопления фактически знаний еще не был дифференцирован; физические, геометрические и астрономические представления развивались совместно.
Экономическая необходимость отделять земельные участки и измерять время привела к развитию измерений пространства и времени еще в древности - в Египте, Китае, Вавилонии и Греции. Система-тич. накопление фактов и попытки их объяснения и обобщения, предшествовавшие созданию Ф. (в современном понимании слова), особенно интенсивно происходили в эпоху греческо-римской культуры (6 в. до н. э.- 2 в. н. э.). В эту эпоху зародились первоначальные идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была создана гео-центрич. система мира (Птолемей), появились зачатки гелиоцентрич. системы (Аристарх Самосский), были установлены нек-рые простые законы статики (правила рычага, центра тяжести), получены первые результаты прикладной оптики (изготовлены зеркала, открыт закон отражения света, обнаружено явление преломления), открыты простейшие начала гидростатики (закон Архимеда). Простейшие явления магнетизма и электричества были известны еще в глубокой древности.
Учение Аристотеля подвело итог знаниям предшествующего периода. Однако физика Аристотеля, основанная на принципе целесообразности природы, хотя и включала отдельные верные положения, вместе с тем отвергала передовые идеи предшественников, в т. ч. идеи гелиоцентрич. астрономии и атомизма.
Канонизированное церковью учение Аристотеля превратилось в тормоз дальнейшего развития науки. После тысячелетнего застоя и бесплодия наука возродилась лишь в 15-16 вв. в борьбе против взглядов Аристотеля. В 1543 Н. Коперник напечатал сочинение «Об обращениях небесных сфер»; опубликование его было революционным актом, с к-рого «начинает свое летосчисление освобождение естествознания от теологии» (Энгельс Ф., Диалектика природы, 1955, стр. 5). Возрождение науки было обусловлено гл. обр. потребностями производства в мануфактурный период. Великие географич. открытия, в частности открытие Америки, содействовали накоплению множества новых наблюдений и ниспровержению старых предрассудков. Развитие ремёсел, судоходства и артиллерии создало стимулы для научного исследования. Научная мысль сосредоточилась на задачах строительства, гидравлики и баллистики, усилился интерес к математике. Развитие техники создало возможности для эксперимента. Леонардо да Винчи поставил целую серию физич. вопросов и пытался разрешить их путём опыта. Ему принадлежит изречение: «опыт никогда не обманывает, обманчивы только наши суждения».
Первый период развития физики начинается с трудов Г. Галилея. Именно Галилей был творцом экспериментального метода в Ф. Тщательно продуманный эксперимент, отделение второстепенных факторов от главного в изучаемом явлении, стремление к установлению точных количественных соотношений между параметрами явления - таков метод Галилея. С помощью этого метода Галилей заложил первоначальные основы динамики. Он сумел показать, что не скорость, а ускорение есть следствие внешнего воздействия на тело. В своём труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки...» (1638) Галилей убедительно обосновывает этот вывод, представляющий собой первую формулировку закона инерции, устраняет видимые противоречия. Он доказывает на опыте, что ускорение свободного падения тел не зависит от их плотности и массы. Рассматривая движение брошенного тела, Галилей находит закон сложения движений и по существу высказывает положение о независимости действия сил. В «Беседах» излагаются также сведения о прочности тел.
В трудах Галилея и Б. Паскаля (а ещё ранее - голл. учёного С. Стевина) были заложены основы гидростатики. Галилею принадлежат важные открытия и в других областях Ф. Он впервые подтверждает на опыте явление поверхностного натяжения, изученное много позже. Галилей обогащает прикладную оптику своим телескопом, а его термометр привёл к количественному изучению тепловых явлений.
Таким образом, в 17 в. были созданы основы механики и начаты исследования в важнейших направлениях Ф.- в учении об электричестве и магнетизме, о теплоте, физич. оптике и акустике.
В 18 в. продолжается дальнейшая разработка всех областей Ф. Ньютоновская механика становится разветвлённой системой знаний, охватывающей законы движения земных и небесных тел. Трудами Л. Эйлера, франц. учёного А. Клеро и др. создаётся небесная механика, доведённая до высокого совершенства П. Лапласом. Открытие нем. астрономом И. Галле в 1846 новой планеты - Нептуна, явилось свидетельством мощи небесной механики.
Важным стимулом для развития механики послужили запросы мануфактурного, а затем машинного производства. Л. Эйлер закладывает основы динамики твёрдого тела. Ж. Д"Аламбер разрабатывает динамику несвободных систем. Д. Бернулли, Л. Эйлер и Ж. Лагранж создают основы гидродинамики идеальной жидкости. Ш. Кулон исследует законы трения и кручения. В «Аналитической механике» Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что она делает их применимыми и к немеханич. процессам, напр. электромагнитным (при соответствующем истолковании входящих в них функций). В своём развитом виде механика становится основой машинной техники того времени, в частности гидравлики.
В других разделах Ф. в 18 в. происходит дальнейшее накопление опытных данных, формулируются простейшие законы. Французский физик Ш. Дюфе открывает существование двух родов электричества. В. Франклин формулирует закон сохранения заряда. В середине 18 в. был создан первый электрич. конденсатор (лейденская банка П. Мушенбрука в Голландии), давший возможность накапливать большие электрич. заряды, что облегчило исследование закона их взаимодействия. Этот закон, являющийся основой электростатики, был открыт независимо друг от друга Г. Кавендишем и Дж. Пристли (Англия) и Ш. Кулоном (Франция). С помощью крутильных весов Кулон нашёл не только закон взаимодействия неподвижных зарядов, но и аналогичный закон для магнитных полюсов. Таким же прибором Кавендиш измерил гравитационную постоянную. И. Вильке (Германия) открыл электростатич. индукцию. Возникло учение об атмосферном электричестве. В. Франклин в 1752 и годом позднее М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман изучали грозовые разряды и доказали электрич. природу молнии. В оптике продолжалось совершенствование объектива телескопа (Л. Эйлер, англ. учёный Дж. Дол-лонд). Трудами П. Бугера (Франция) и И. Ламберта (Германия) начала создаваться фотометрия. Англ. учёные В. Гершель и У. Волластон открыли инфракрасные лучи, а нем. учёный И. Риттер - ультрафиолетовые. Большое внимание стали уделять явлениям люминесценции. Стали разрабатываться методы термометрии, устанавливаться термо-метрич. шкалы. Развитие химии и металлургии стимулировало разработку учения о теплоте. Дж. Блэк (Англия) установил различие между температурой и количеством тепла, открыв скрытую теплоту плавления льда. Было сформулировано понятие теплоёмкости, измерены теплоёмкости различных веществ, основана калориметрия. Ломоносов предсказал существование абсолютного нуля. Были начаты исследования теплопроводности и теплового излучения, изучение теплового расширения тел. В этот же период была создана и начала совершенствоваться паровая машина.
Теория относительности является одной из наиболее общих теорий современной Ф. Не менее важным и действенным обобщением физич. фактов и закономерностей явилась квантовая механика (см.), созданная в конце 1-й четверти 20 в. в результате исследований взаимодействия излучения с частицами вещества и изучения состояний внутриатомных электронов.
Еще в конце 19 в. выяснилось, что закон распределения энергии теплового излучения по спектру, выведенный на основе классич. закона о равном распределении энергии по степеням свободы, противоречит действительности. Согласно закону Рэлея - Джинса, интенсивность излучения должна быть пропорциональна температуре и квадрату частоты излучения. Отсюда получался явно не соответствующий действительности вывод, что любое тело должно испускать достаточно интенсивный видимый свет при любой температуре. Немецкий учёный М. Планк в 1900 нашёл соответствующий опыту закон распределения энергии в спектре теплового излучения, сделав новое предположение, что атомы вещества при излучении теряют энергию только определёнными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения; коэфициент пропорциональности (постоянная Планка) должен быть универсальной постоянной. Гипотеза Планка о квантовании энергии излучения явилась исходным пунктом квантовой теории. Вслед затем Эйнштейн (в 1905) сумел объяснить законы фотоэффекта, предположив, что поле излучения представляет собой газ особых частиц света - фотонов. Фотонная теория света позволила правильно объяснить и другие явления взаимодействия излучения с частицами вещества. Таким образом, оказалось, что свет обладает двойственной природой - корпускулярно-волновой. Квантование излучения, испускаемого или поглощаемого атомами вещества, привело к заключению, что энергия внутриатомных движений может также изменяться скачкообразно. Это следствие находилось в противоречии с теми моделями атома, к-рые создавались до 1913.Наиболее совершенной моделью атома к этому времени была ядерная модель Резерфорда, построенная на учёте известных тогда фактов прохождения быстрых а -частиц сквозь вещество. В этой модели электроны двигались вокруг атомного ядра по законам классич. механики и непрерывно излучали свет по законам классич. электродинамики, что находилось в противоречии с фактом квантования излучения. Первый шаг по пути разрешения этого противоречия сделал в 1913 датский учёный Н. Бор, к-рый в своей модели атома сохранил классич. орбиты для электронов в стационарных состояниях атома, но сделал предположение о том, что дозволены не все мыслимые орбиты, а лишь дискретный ряд их. Поскольку с каждой орбитой связано определённое значение энергии и момента количества движения, то эти величины также оказались квантованными. При переходе с одной дозволенной орбиты на другую атом испускает или поглощает фотон. Дискретность энергии атома нашла прямое подтверждение в закономерностях атомных спектров и в явлениях столкновений атомов с электронами.
За последнее 20-летие число известных элементарных частиц возросло в несколько раз. Помимо электронов и позитронов, протонов и нейтронов (а также фотонов), открыто несколько видов мезонов. Доказано существование нейтральной частицы - нейтрино. После 1953 сделаны новые открытия, имеющие принципиальное значение: обнаружены тяжёлые нестабильные частицы с массами, большими масс нуклонов,- т. н. гипероны, к-рые рассматриваются как возбуждённые состояния нуклонов. В 1955 обнаружено существование антипротона.
Все эти открытия свидетельствуют о том, что любой вид элементарных частиц способен к превращениям, что элементарные частицы могут возникать («рождаться») и исчезать, превращаясь в частицы другого вида. Это доказывает наличие генетич. связи между различными элементарными частицами, и ближайшая задача этой области Ф. состоит в разработке их взаимосвязи. Эти факты говорят также о том, что элементарные частицы отнюдь не элементарны, в абсолютном смысле слова, а обладают сложной структурой, к-рую еще предстоит раскрыть. Современная Ф. подтвердила предсказание В. И. Ленина о неисчерпаемости электрона.Современная теория элементарных частиц трактует их как проявления различных полей - электромагнитного, электронно-позитронного, мезонных и т. д. Основанием для такой трактовки является указанная выше способность частиц к превращениям, к возникновению и исчезновению с появлением частиц другого поля (или других полей). Замечательный результат этой теории - вывод о том, что и при отсутствии частиц данного типа в данной области пространства сохраняется т. н. нулевое (наименьшее) поле вакуума данного типа, проявляющееся в ряде эффектов.
При непонимании этих основных положений научного материализма каждый новый этап, открывавший новые объекты и новые стороны в явлениях природы, воспринимался частью физиков как полное отрицание теории, построенной на обширном фактич. материале, как опровержение материальности мира. В действительности речь идёт всегда о новом развитии теории, об охвате новой стороны явлений. Непривычность новых свойств материи приводилась идеалистами как основание для отрицания самой материи, тогда как на самом деле происходит пополнение понятия материи более многообразным содержанием. Так, напр., установленный квантовой теорией двойственный корпускулярно-волновой характер микрочастиц истолковывался как довод в пользу «призрачности» материи, взаимосвязь массы и энергии - как отрицание материи как носителя энергии. Непривычность новых представлений используется нек-рыми философами-идеалистами для отрицания самой возможности познания сущности вещей и явлений. Этой превратной картине действительности, пользующейся влиянием и в соседних с Ф. областях-биологии и астрономии, противостоит научно обоснованная философия диалектич. материализма.
4. Связь современной физики с техникой и другими естественными науками
Ф. выросла из потребностей техники и непрерывно использует её опыт; техника в большой степени определяет тематику физич. исследований. Но также верно (в особенности для современной Ф.) и то, что техника вырастает из Ф., что в физич. лабораториях создаются новые отрасли техники и новые методы решения технич. задач. Достаточно вспомнить электрич. машины, радиотехнику и прикладную электронику с постоянно прогрессирующими и изменяющимися средствами: искрой, вакуумными лампами, полупроводниковыми приборами. Напр., полупроводники находят всё более разнообразное применение в технике в виде выпрямителей переменного тока, фотосопротивлений и термисторов, в сигнализации, автоматике и телеуправлении, в виде детекторов, усилителей и генераторов радиоколебаний, люминесцентных источников света, катодов вакуумных приборов, а в последнее время в виде приборов для использования энергии тепла, света и радиоактивных излучений.
Бурный расцвет техники в 20 в. самым непосредственным образом связан с развитием Ф. Если в 19 в. между физич. открытием и первым его технич. применением проходили десятки лет, то теперь этот срок сократился до нескольких лет. Технич. Ф. с её многочисленными разделами - это громадный участок современной науки. Взаимосвязь Ф. и техники - основной путь развития той и другой. Никогда эта связь не носила такого всеобъемлющего характера, как в настоящее время. Научные физич. институты всё полнее и успешнее сочетают в своей тематике физич. теорию, экспериментальное изучение и технич. применение новых фактов и обобщений. Сотни отраслевых лабораторий и институтов в промышленности разрабатывают физич. и технологич. вопросы по всему фронту современной техники.
Физич. методы исследования получили решающее значение для всех естественных наук. Электронный микроскоп на два порядка превысил границы, поставленные оптич. методами исследования, и дал возможность наблюдать отдельные крупные молекулы. Рентгеновский анализ раскрыл атомное строение вещества и структуру кристаллов. Уточнённый спектральный анализ оказался действенным средством исследования в геологии и органич. химии. Масс-спектрограф измеряет массы атомов и молекул с небывалой точностью. Радиотехнич. и осциллографич. методы позволяют наблюдать процессы, протекающие в миллионные и миллиардные доли секунды. Возможность наблюдения за перемещением химич. элементов и даже отдельных атомов даёт метод радиоактивных изотопов, проникший уже во все области знания. Ядерные излучения видоизменяют течение биологич. процессов и изменяют наследственные признаки.
Все эти приёмы далеко выходят за пределы Не только непосредственного наблюдения, но и тех рамок, к-рые ставили измерительные приборы 19 в. Электронно-счётные машины настолько упростили математич. расчёты, что строгому расчёту становятся доступны самые сложные явления, обусловленные сотнями различных факторов.
Значение современной Ф. для всего естествознания сильно возросло. Теория относительности и ядерная Ф. сделались основой астрофизики - важнейшего раздела астрономии. В свою очередь, выводы астрофизики вносят новые черты в Ф. Квантовая теория легла в основу учения о химич. реакциях, неорганич. и органич. химии. Идеи ядерной Ф. становятся неотъемлемой частью геологич. концепций. Всё теснее взаимное влияние Ф. и биологии; биофизика в связи с этим вырастает в самостоятельную науку.
5. Роль тепловых машин в жизни человека
В настоящее время невозможно назвать ни одну область производственной деятельности человека, где бы ни использовались тепловые установки. Космическая техника, металлургия, станкостроение, транспорт, энергетика, сельское хозяйство, химическая промышленность, производство пищевых продуктов – вот далеко не полный перечень отраслей народного хозяйства, где приходится решать научные и технические вопросы, связанные с тепло установками.
В тепловых двигателях и тепловых установках происходит преобразования теплоты в работу или работы в теплоту.
Паровая турбина-это тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая - в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно соединяется с валом рабочей машины, который может быть электрогенератор, гребной вент и др.
Применение тепловых двигателей в железнодорожном транспорте особенно велико, т.к. с появление тепловозов на железнодорожных магистралях облегчило перевоз основных масс грузов и пассажиров во всех направлениях. Тепловозы появились на советских железных дорогах более полувека назад по инициативе В.И. Ленина. Дизели приводят в движение тепловоз непосредственно, а с помощью электрической передачи – генераторов электрического тока и электродвигателей. На одном валу с каждым дизелем тепловоза находится генератор постоянного электрического тока. Вырабатываемый генератором электрический ток поступает в тяговые электродвигатели, находящиеся на осях тепловоза. Тепловоз сложнее электровоза и стоит дороже, зато он не требует контактной сети, тяговых подстанций. Тепловоз можно использовать везде, где только уложены железнодорожные пути, и в этом его огромное преимущество. Дизель – экономичный двигатель, запаса нефтетоплива на тепловозе хватает на долгий путь. Для перевозки крупногабаритных и тяжелых грузов построили тяжелые грузовые автомобили, где вместо бензиновых двигателей появились более мощные дизельные двигатели. Такие же двигатели работают на тракторах, комбайнах, судах. Применение этих двигателей намного облегчает работу человека. В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель предложил двигатель с воспламенением от сжатия, который мог бы работать не только на бензине, но и на любом другом топливе: керосине, нефти. Также двигатели назвали дизелями.
История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Еще две с лишним тысячи лет назад, в 3 веке до н. эры, великим греческим механиком и математиком Архимедом построившим пушку, которая стреляла с помощью пара.
Сегодня в мире насчитывается сотни миллионов тепловых двигателей. Например, двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д. Наблюдение, что изменения температуры тел постоянно сопровождаются изменениями их объемов, относятся уже к отдаленной древности, тем не менее, определение абсолютной величины отношения этих изменений принадлежит только новейшему времени. До изобретения термометров о подобных определениях, разумеется, нельзя было и думать, но зато с развитием термометрии точное исследование этой связи становилось совершенно необходимым. Сверх того, в конце прошлого XVIII и в начале нынешнего XIX века накопилось множество различных явлений, побуждавших заняться тщательными измерениями расширения тел от теплоты; таковы были: необходимость поправок барометрических показаний при определении высот, определение астрономической рефракции, вопрос об упругости газов и паров, постепенно возраставшее применение металлов для научных приборов и технических целей и т. д.
Прежде всего, естественно, обратилась к определению расширения воздуха, которое по своей величине больше всего бросалось в глаза и представлялось наиболее легко измеримым. Множество физиков вскоре получило большое количество результатов, но частично довольно разноречивых. Амонтон для регулирования своего нормального термометра измерил расширение воздуха при нагревании его от 0° до 80° R и сравнительно точно определил его в 0,380 части его объема при 0°. С другой стороны, Нюге в 1705 г. получил при посредстве несколько видоизмененного прибора один раз число, вдвое большее, а другой раз - число, даже в 16 раз большее. Ла-Гир (1708) тоже получил вместо амонтоновского числа 1,5 и даже 3,5. Гоуксби (1709) нашел число 0,455; Крюкиус (1720) - 0,411; Полени - 0,333; Бонн - 0,462; Мушенбрек - 0,500; Ламбер («Pyromйtrie», стр. 47)-0,375; Делюк - 0,372; И. Т. Мейер - 0,3755 и 0,3656; Соссюр - 0,339; Вандермонд, Бертолле и Монж получили (1786) - 0,4328. Пристли, получивший для расширения воздуха значительно отклоняющееся от истинного число 0,9375, утверждал, сверх того, что кислород, азот, водород, угольная кислота, пары азотной, соляной, сернистой, плавиковой кислот и аммиака - все они отличаются по своему расширению от воздуха. Г. Г. Шмидт («Green"s Neues Journ.», IV, стр. 379) получил для расширения воздуха число 0,3574, для кислорода 0,3213, наконец, для водорода, угольной кислоты и азота 0,4400, 0,4352, 0,4787. Морво и Дювернуа примкнули к мнению Пристли, но вообще нашли, что расширение газов не вполне пропорционально изменению температуры.
Теоретический материал
С давних времён человек хотел освободиться от физических усилий или облегчить их при перемещении чего-либо, располагать большей силой, быстротой.
Создавались сказания о коврах самолётах, семимильных сапогах и волшебниках, переносящих человека за тридевять земель мановением жезла. Таская тяжести, люди изобрели тележки, ведь катить легче. Потом они приспособили животных – волов, оленей, собак, больше всего лошадей. Так появились повозки, экипажи. В экипажах люди стремились к комфорту, всё более совершенствуя их.
Стремление людей увеличить скорость ускоряло и смену событий в истории развития транспорта. Из греческого «аутос» – «сам» и латинского «мобилис» – «подвижный» в европейских языках сложилось прилагательное «самодвижущийся», буквально «авто – мобильный».
Оно относилось к часам, куклам-автоматам, ко всяким механизмам, в общем, ко всему, что служило как бы дополнением «продолжением», «усовершенствованием» человека. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара и применяли к безрельсовым повозкам термин «автомобиль».
Почему же счёт возраста автомобиля ведут от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретённых и построенных в 1885-1886 годах? Как бы забыв о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах. Дело в том, что ДВС произвёл подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил своё главенствующее положение. Доля автомобилей с ДВС составляет на сегодня более 99,9% мирового автомобильного транспорта. <Приложение 1>
Основные части теплового двигателя
В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. <Приложение 3> Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.
Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.
Рисунок 1
На Рисунке 1 изображены графически процессы расширения газа (линия АВ) и сжатия до первоначального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (AF > 0) и численно равна площади фигуры ABEF. Работа газа при сжатии отрицательна (так как AF < 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).
Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия тепловой машины
Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q1 - |Q2|. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины.
Введение
Рост физики не только оказывал воздействие на идеи о материальном
мире, математике и философии, но также и преобразовывал человеческое
общество, путем совершенствования его технологий, в целом. Физика - это
не только знания, но и, что даже скорее больше, практический опыт.
Научная революция, начавшаяся в XVI веке, является удобной границей
между древней мыслью и классической физикой. Год 1900 - начало более
современной физики. Появились новые вопросы, которые и сегодня ещё
очень далеки от своего завершения.
Альберт Эйнштейн
В начале XX века
физика столкнулась с серьёзными проблемами. Начали возникать
противоречия между старыми моделями и эмпирическим опытом. Так,
например, наблюдались противоречия между классической механикой и
электродинамикой при попытках измерить скорость света.
Выяснилось, что она не зависит от системы отсчёта. Физика того времени
также была неспособна описать некоторые микроэффекты, такие как атомные
спектра излучений, фотоэффект, эффект Комптона, энергетическое равновесие электромагнитного излучения и вещества. Таким образом, была необходима новая физика.
Основным ударом по старой парадигме стали две теории: это теория относительности Эйнштейна
и Квантовая физика. Общая теория относительности была создана в 1916
году, и она позволила связать в одних уравнениях гравитационную и
инертную массы. Необходимость во второй физической революции появилась
в связи с открытием микромира
элементарных частиц, а также многих явлений, происходящих с ними.
Ко второй половине XX века в в физике сложилось представление, что
все взаимодействия физической природы можно свести к всего лишь четырём
типам взаимодействия:
- гравитация
- электромагнетизм
- сильное взаимодействие
- слабое взаимодействие
В последнюю декаду XX века накопились астрономические данные, подтверждающие существование космологической постоянной, тёмной материи и тёмной энергии. Идут поиски общей теории поля - теории всего, которая описала бы все фундаментальные взаимодействия обобщённым физико-математическим образом. Одним из серьёзных кандидатов на эту роль является М-теория, которая, в свою очередь, - недавнее развитие теории суперструн.
Всё больше проблем связано с эволюцией Вселенной, с её ранними
этапами, с природой вакуума, и, наконец, с окончательной природой
свойств податомных частиц. Частичные теории являются в настоящее время
лучшими, что физика может предложить в настоящее время. См. также Последние достижения в физике.
Список неразрешенных проблем в физике постоянно множится; однако,
«Мы больше атома, но, кажется, уже знаем о нём все.» - Ричард Фейнман
Ранняя физика
По природе своей, человек - существо любопытное. Ещё с древних пор
его начали интересовать вещи, казавшиеся ранее обыденными, относящиеся
к окружающему миру. Тогда давно основной причиной этого любопытства,
скорее всего, был страх. И лишь немногих это интересовало из чистого
любопытства, любопытства ради любопытства.
Действительно, почему, например, происходит притяжение, почему
разные материалы имеют разные свойства? Ну почему же солнце заходит с
одной стороны, а восходит с другой?! Люди всегда интересовались миром.
Многие свойства природы приписывались богам. Неправильные теории
приобретали свойства религии. Их передавали из поколения в поколения.
Многие теории того времени были в значительной степени изложены в форме
философских строк. Мало было людей, готовых в них сомневаться. Тем
более на том этапе развития наличие любой теории или отсутствие таковой
большого влияния на жизнь не оказывало.
Античная физика
Средств для проверки теорий и выяснения вопроса, какая из них верна,
в древности было крайне мало, даже если речь шла о земных каждодневных
явлениях. Единственная физическая величина, которую умели тогда
достаточно точно измерять - длина; позже к ней добавился угол. Эталоном времени служили сутки,
которые в Древнем Египте делили не на 24 часа, а на 12 дневных и 12
ночных, так что было два разных часа, и в разные сезоны
продолжительность часа была разной. Но даже когда установили привычные
нам единицы времени, из-за отсутствия точных часов большинство
физических экспериментов были просто невозможно провести. Поэтому
естественно, что вместо научных школ возникали полурелигиозные учения.
Преобладала геоцентрическая система мира, хотя пифагорейцы развивали и пироцентрическую , в которой звёзды, Солнце, Луна и шесть планет обращаются вокруг Центрального Огня . Чтобы всего получилось священное число небесных сфер (десять), шестой планетой объявили Противоземлю . Впрочем, отдельные пифагорейцы (Аристарх Самосский и др.) создали гелиоцентрическую систему. У пифагорейцев возникло впервые и понятие эфира как всеобщего заполнителя пустоты.
Первую формулировку закона сохранения материи предложил Эмпедокл
в V веке до н. э.:
Ничто не может произойти из ничего, и никак не может то, что есть, уничтожиться.
Позже аналогичный тезис высказывали Демокрит, Аристотель и другие..
Термин «Физика»
возник как название одного из сочинений Аристотеля. Предметом этой
науки, по мнению автора, было выяснение первопричин явлений:
Так как научное знание возникает при всех исследованиях, которые
простираются на начала, причины или элементы путём их познания (ведь мы
тогда уверены в познании всякой вещи, когда узнаём её первые причины,
первые начала и разлагаем её впредь до элементов), то ясно, что и в
науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к
началам.
Такой подход долго (фактически до Ньютона)
отдавал приоритет метафизическим фантазиям перед опытным исследованием.
В частности, Аристотель и его последователи утверждали, что движение
тела поддерживается приложенной к нему силой, и при ее отсутствии тело
остановится (по Ньютону, тело сохраняет свою скорость, а действующая
сила меняет ее значение и/или направление).
Некоторые античные школы предложили учение об атомах как первооснове материи. Эпикур даже полагал, что свобода воли человека вызвана тем, что движение атомов подвержено случайным смещениям.
Кроме математики, эллины успешно развивали оптику. У Герона Александрийского
встречается первый вариационный принцип «наименьшего времени» для
отражения света. Тем не менее в оптике древних были и грубые ошибки.
Например, угол преломления считался пропорциональным углу падения (эту
ошибку разделял даже Кеплер). Гипотезы о природе света и цветности были многочисленны и довольны нелепы.
Индийский вклад
Таблица механики , 1728 Cyclopaedia .
В позднюю Vedic эру (c IX по VI в. до н.э), астроном Яджнаволкья
(Yajnavalkya), в своей Shatapatha Brahmana, упомянуто раннее понятие
гелиоцентр (heliocentrism), в котором Земля была круглой, и Солнце
являлось «центром сфер». Он измерил растояния от Луны и Солнца до Земли
в 108 диаметров самих объектов. Эти значения практически совпадают с
современными: для Луны - 110.6, и для Солнца - 107.6.
Индусы представляли мир состоящим из пяти основных элементов: земля, огонь, воздух, вода и эфир/пространство. Позже, с VII в. до н.э, они сформулировали теорию атома,
начиная с Kanada и Pakudha Katyayana. Поклонники теории полагали, что
атом состоит из элементов, до 9 элементов в каждом атоме, каждый
элемент имеет до 24 свойств. Они развивали следующие теории, о том как
атомы могут объединяться, реагировать, вибрировать, перемещаться и
выполнять другие действия. Также разрабатывались теории того, как атомы
могут сформировать двойные молекулы, которые объединяются далее, чтобы
сформировать ещё большие молекулы, и как частицы сначала объединяются в
пары, и затем группа в трио пар, которые являются наименьшими видимыми
единицами материи. Эти схождения с современными атомными теориями
потрясают воображение. Ещё у индусов атомы были делимыми частицами, до
чего мы догадались лишь в 30-х годах ХХ века, и что положило начало
всей ядерной энергетике.
Принцип относительности (чтобы не перепутать с теорией относительности Эйнштейна)
был доступен в зачаточной форме с VI в. до н.э в древнем индийском
философском понятии «sapekshavad», буквально «теория относительности»
на Санскрите.
Две школы, Samkhya и Vaisheshika, развивали теории света с VI-V в.
до н. э. Согласно школе Samkhya, свет - один из пяти фундаментальных
элементов, из которых позже появляются более тяжелые элементы. Школа
Vaisheshika определила движение в терминах немгновенного движения
физических атомов. Лучи света считались потоком высоких скоростных
атомов огня, которые могут проявлять различные особенности в
зависимости от скорости и мер этих частиц. Буддисты
Дигнга (V в.) и Dharmakirti (VII в.) развивали теорию света, состоящего
из частиц энергии, подобных современному понятию фотонов.
Почетный австралийский специалист по индийской культуре (indologist)
A. L. Basham заключил, что «они были блестящими образными объяснениями
физической структуры мира, и в основном, согласились с открытиями
современной физики.»
В 499 году астроном-математик Арьябхата (Aryabhata) представлял на обсуждение детальную модель
гелиоцентрической солнечной системы тяготения, где планеты вращаются
вокруг своей оси (сменяя таким образом день и ночь) и имеют
эллиптическую орбиту (приобретая таким образом зиму и лето).
Удивительно, что в такой системе луна не являлась источником света, а
только отражала солнечный свет от своей поверхности. Арьябхата также
правильно объяснил причины солнечных и лунных затмений и предсказал их
времена, дал радиусы планетарных орбит вокруг Солнца, и точно измерил
длины дня, звездного года, и диаметра Земли. Его объяснение затмений и
намёки на вращение Земли вызвало негодование правоверных индуистов, к
которым присоединился даже просвещённый Брахмагупта:
Последователи Ариабхаты говорят, что Земля движется, а небо
покоится. Но в их опровержение было сказано, что если бы это было так,
то камни и деревья упали бы с Земли…
Среди людей есть такие, которые думают, что затмения вызываются не
Головой [дракона Раху]. Это абсурдное мнение, ибо это она вызывает
затмения, и большинство жителей мира говорят, что именно она вызывает
их. В Ведах, которые есть Слово Божие, из уст Брахмы говорится, что
Голова вызывает затмения. Напротив того, Ариабхата, идя наперекор всем,
из вражды к упомянутым священным словам утверждает, что затмение
вызывается не Головой, а только Луной и тенью Земли… Эти авторы должны
подчиниться большинству, ибо всё, что есть в Ведах - священно.
Брахмагупта, в его Brahma Sputa Siddhanta в 628 году представляет гравитацию как силу притяжения и показывает закон притяжения.
Индийско-арабские цифры стали ещё одним важнейшим вкладом индусов в науку. Современная позиционная система счисления (индусско-арабская система цифр) и ноль была сначала развита в Индии, наряду с тригонометрическими функциями синуса
и косинуса
.
Эти математические достижения, наряду с индийскими достижения в физике,
были приняты Исламским Халифатом, после чего и начали распространяться
по Европе и другим частям света.
Китайский вклад
В XII веке до н. э., в Китае был изобретен первый редукционный механизм , the South Pointing Chariot , это было также первым использованием дифференциальной передачи .
Китаец «Мо Чинг » в III веке до н. э. стал автором ранней версии закона движения Ньютона.
«Прекращение движения происходит из-за противодействующей силы… Если
не будет никакой противостоящей силы …, то движение никогда не
закончится. Это верно настолько же, как и то, что бык не лошадь.»
Более поздние вклады Китая включают изобретения бумаги, печатного дела
, пороха, и компаса. Китайцы первыми «открыли» отрицательные числа, которые оказали сильное влияние на развитие физики и математики.
Средневековая Европа
XIII век: изобретены очки, правильно объяснено явление радуги, освоен компас.
XVI век: Николай Коперник предложил гелиоцентрическую систему мира.
Симон Стевин
в книгах «Десятая» (1585
), «Начала статики» и других ввёл в обиход десятичные дроби,
сформулировал (независимо от Галилея) закон давления на наклонную
плоскость, правило параллелограмма сил, продвинул гидростатику и
навигацию. Любопытно, что формулу равновесия на наклонной плоскости он
вывел из невозможности вечного движения (которое считал аксиомой).
Иоганн Кеплер
значительно продвинул оптику, в том числе физиологическую (выяснил роль
хрусталика, верно описал причины близорукости и дальнозоркости),
существенно доработал теорию линз. В 1609 году он издал книгу «Новая астрономия» с двумя законами движения планет; третий закон он сформулировал в более поздней в книге «Мировая гармония» (1619
).
Заодно он формулирует в ясном виде первый закон механики: всякое тело,
на которое не действуют иные тела, находится в покое или совершает
прямолинейное движение. Менее ясно формулируется закон всеобщего
притяжения: сила, действующая на планеты, проистекает от Солнца и
убывает по мере удаления от него, и то же верно для всех прочих
небесных тел. Источником этой силы, по его мнению, является магнетизм в
сочетании с вращением Солнца и планет вокруг своей оси.
В 1608 году в Голландии изобретена зрительная труба. Галилео Галилей
,
усовершенствовав её, строит первый телескоп и проводит исследование
небесных объектов. Открывает спутники Юпитера, фазы Венеры, звёзды в
составе Млечного пути и многое другое. Решительно поддерживает теорию
Коперника (но столь же решительно отвергает теорию Кеплера).
Формулирует основы теоретической механики - принцип относительности, закон инерции, квадратичный закон падения, даже принцип виртуальных перемещений
, изобретает термометр.
Зарождение теоретической физики
XVII век. Метафизика Декарта и механика Ньютона.
Во второй половине XVII века интерес к науке в основных странах Европы резко возрос. Возникают первые Академии наук и первые научные журналы.
1600
: первое экспериментальное исследование электрических и магнитных явлений проводит врач английской королевы Уильям Гильберт
. Он выдвигает гипотезу, что Земля является магнитом. Именно он предложил сам термин «электричество».
1637
: Рене Декарт
издал «Рассуждение о методе» с приложениями «Геометрия», «Диоптрика»,
«Метеоры». Считал пространство материальным, а причиной движения -
вихри материи, возникающие, чтобы заполнить пустоту (которую считал
невозможной и поэтому не признавал атомов), или от вращения тел. В
«Диоптрике» Декарт впервые дал правильный закон преломления света
. Создаёт аналитическую геометрию и вводит почти современную математическую символику.
В 1644 году
вышла книга Декарта «Начала философии». В ней провозглашается, что
изменение состояния материи возможно только при воздействии на неё
другой материи. Это сразу исключает возможность дальнодействия
без ясного материального посредника. Приводится закон инерции. Второй
закон взаимодействия - закон сохранения количества движения - тоже
приводится, однако обесценивается тем, что чёткое определение
количества движения у Декарта отсутствует.
Декарт уже видел, что движение планеты - это ускоренное движение.
Вслед за Кеплером Декарт считал: планеты ведут себя так, как будто
существует притяжение солнца. Для того чтобы объяснить притяжение, он
сконструировал механизм Вселенной, в которой все тела приводятся в
движение толчками вездесущей, но невидимой, «тонкой материи». Лишенные
возможности двигаться прямолинейно, прозрачные потоки этой среды
образовали в пространстве системы больших и малых вихрей. Вихри,
подхватывая более крупные, видимые частицы обычного вещества, формируют
круговороты небесных тел. Они вращают их и несут по орбитам. Внутри
малого вихря находится и Земля. Круговращение стремиться растащить
прозрачный вихрь вовне. При этом частицы вихря гонят видимые тела к
Земле. По Декарту, это и есть тяготение. Система Декарта была первой
попыткой механически описать происхождение и движение планетной системы.
Исаак Ньютон
1687
: «Начала» Ньютона
. Физические концепции Ньютона находились в резком противоречии с декартовскими. Ньютон верил в атомы,
считал дедукцию вторичным методом, которому должны предшествовать
эксперимент и конструирование математических моделей. Ньютон заложил
основы механики, оптики, теории тяготения, небесной механики, открыл и далеко продвинул математический анализ.
Но его теория тяготения, в которой притяжение существовала без
материального носителя и без механического объяснения, долгое время
отвергалась учёными континентальной Европы (в том числе Гюйгенсом, Эйлером и др.). Только во второй половине XVIII века, после работ Клеро
по теории движения Луны и кометы Галлея, критика утихла.
XVIII век. Механика, теплород, электричество.
В XVIII веке ускоренными темпами развивались механика, небесная механика, учение о теплоте. Начинается исследование электрических и магнитных явлений. Картезианство, не подтверждаемое опытом, быстро теряет сторонников.
Создание аналитической механики (Эйлер, Лагранж) завершило превращение теоретической механики в раздел математического анализа. Утверждается общее мнение, что все физические процессы - проявления механического движения вещества. Ещё Гюйгенс
решительно высказывался за необходимость такого представления о природе явлений:
Истинная философия
должна видеть в явлениях механических первопричину всех явлений; по
моему мнению, иное представление и невозможно, если мы только не желаем
потерять надежду что-либо понимать в Философии. («Трактат о свете»).
Герман фон Гельмгольц
Даже в XIX веке в первичности механики не сомневался Гельмгольц
:
Конечной целью всех естественных наук является разыскание движений,
лежащих в основе всех изменений, и причин, производящих эти движения,
то есть слияние этих наук с механикой.
Представление о «тонких материях», переносящих тепло, электричество
и магнетизм, в XVIII веке сохранилось и даже расширилось. В
существования теплорода, носителя теплоты, верили многие физики, начиная с Галилея
; однако другой лагерь, в который входили Декарт, Гук, Даниил Бернулли
и Ломоносов, придерживался молекулярно-кинетической гипотезы.
В начале века голландец Фаренгейт изобрёл современный термометр на ртутной или спиртовой основе, и предложил шкалу Фаренгейта. До конца века появились и другие варианты: Реомюр (1730 ), Цельсий (1742 ) и другие. С этого момента открывается возможность измерения количества тепла в опытах.
1734 : французский учёный Дюфе обнаружил, что существуют 2 вида электричества: положительное и отрицательное.
1745 : изобретена лейденская банка. Франклин развивает гипотезу об электрической природе молнии, изобретает громоотвод . Появляются электростатическая машина, электрометр Рихмана.
1784 : запатентована паровая машина Уатта. Начало широкого распространения паровых двигателей.
1780-е годы: открыт и обоснован точными опытами закон Кулона.
Физика (греч. от physis - природа) - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира .
Физика - одна из основных областей естествознания - наука о свойствах и строении мира, о формах ее движения и изменения, об общих закономерностях явлений природы .
Основоположниками физики являются такие великие ученые как: Галио Галилей - итальянский физик, астроном, философ, математик, Блез Паскаль - французский математик, физик, религиозный философ, Исаак Ньютон - английский математик, астроном, физик. Ньютона принято считать основоположником физики.
От ранних цивилизаций, возникших на берегах Тигра, Евфрата и Нила, не осталось никаких свидетельств в области физических знаний, на тот момент не было системы физических знаний, а существовали только определенные описания и факты, не подтвержденные теоретическими обобщениями и выводами. Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание физики сохранялось до конца 17 века.
Аристотель в IV веке до нашей эры впервые употребил слово «фюзис», что означает природа. Он также употребил слова «материя» и «форма».
Так, с какого же периода истории возникла физика, которую еще нельзя было назвать наукой?
На наш взгляд наблюдение над природой началось в глубокой древности, когда у человека появилась необходимость прокормить себя и своих близких, но человек еще не перешел к земледелию и к скотоводству, а пользовался плодами леса и охотой на диких животных.
Попробуем представить абстрактную картину. Случайно в буреломе, где хаотично повалены деревья, одно из них оказалось на другом так, что корневая система, «выдранного» дерева лежала на земле, ствол его, опираясь на другое дерево, свободно свисал. Древний человек случайно вступил на ствол довольно далеко от точки опоры, своим весом приподнял всю корневую систему дерева весом, гораздо большим, чем вес самого человека.
Человек ничего не понял, но заметил эту особенность, которую и стал применять при необходимости. Так, появился рычаг. Произошло это задолго до исследований Архимеда (287 год до нашей эры). Человек, как мы полагаем, заметил и несколько рассчитал соотношение плеч рычага и действующих на него сил.
Архимед же привел в систему весь накопленный опыт. Согласно преданию Архимед произнес известную всем фразу: «Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю»!
Конечно, он имел в виду применение рычага.
Вклад Архимеда в математику и физику, безусловно, велик. Архимед является основоположником теоретической механики и гидростатики. Он разработал методы нахождения площадей, поверхностей и объемов различных фигур и тел.
В основополагающих трудах по статике и гидростатике (закон Архимеда) Архимед дал образцы применения математики в естествознании и технике. Ему принадлежит множество технических изобретений: архимедов винт, определение состава сплавов взвешиванием в воде, системы для поднятия больших тяжестей, военные метательные машины.
В физике Архимед ввел понятие «центр тяжести». Он установил научные принципы статики и гидростатики, дал образцы применения математических методов в физических исследованиях. Основные положения статики сформулированы в сочинении «О равновесии плоских фигур». Архимед делает вывод о законе рычага. Знаменитый закон гидростатики, вошедший в науку с именем Архимеда (Архимеда закон), сформулирован в трактате «О плавающих телах» .
Появление паруса, как мы считаем, также произошло случайно. Древние люди вновь при помощи наблюдений приобрели опыт. Как мы думаем, человек заметил, что если встать и плыть на бревне с помощью примитивного весла, и при этом дует попутный ветер, то бревно начинает двигаться довольно быстро. Возможно, человек заметил, что плывущий по воде ствол дерева с торчащими ветвями движется быстрее, чем без веток. Позднее человек сознательно соорудил из веток с листьями или из звериной шкуры подобие паруса. Так, появился первый примитивный парус.
Много столетий спустя, в результате накопленного человечеством опыта, появились парусные корабли, которые уже были способны плыть и против ветра. И среди них барк, самый современный парусник. В основе этого явления лежит сложение действующих сил.
Другим величайшим изобретением древности является колесо. Мы полагаем, что это, скорее всего коллективное изобретение, так как один человек не мог придумать колесо, затем посадить его на ось, закрепить на ней платформу и получить, таким образом, телегу. Как мы считаем, древние люди заметили, что если взять толстое бревно, то его легче перемещать по земле, если под бревно подкладывать круглые обрубки дерева. В результате размышлений человека, даже не группы людей, а целых поколений, получилось колесо.
Изобретение колеса дало колоссальный толчок в развитии современной цивилизации.
Здесь хотелось бы упомянуть о цивилизации древних инков. Инки - это индейское племя, которое проживало на землях таких современных стран, как Перу, Эквадор, Боливия и другие. Древние инки не знали и не применяли колесо из-за рельефа земель, которые они занимали. Перу - страна горная, и инками не был замечен тот факт, что пресловутое бревно, можно перемещать качками.
Так, мы полагаем, что физика зародилась на основе сбора наблюдений, опыта, информации. Когда же такой информации накопилось достаточно много, величайшие ученые древности систематизировали накопленные знания, создав фундаментальную теорию механики.
Наше небольшое размышление о том, когда зародилась физика, хотелось бы закончить стихотворением:
Читай, внимай и понимай,
Почаще думай, мысли, познавай,
Ты в жанры разные «влетай»
И книги полностью «глотай»,
Но ничего не упускай!
Учти, что всяк разумный человек
Читает книги разных лет.
Он в них живет, поет и пляшет,
Он знания все там берет
И все дословно узнает,
Внимает, мыслит, познает,
Вернувшись в мир,
Он всем расскажет,
Что дарят чудны пейзажи,
Картин из тех чудеснейших долин,
Где жизнь он мысленно прожил
И мир с других сторон открыл.
За что всю жизнь благодарил
Литературный дивный свет,
Пролитый с древних лет на мир .
Литература:
1. Большой энциклопедический словарь, гл. ред. Прохоров А. М. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2002. - 1456 с.
2. Житомирский С. В. Ученый из Сиракуз: Архимед. Историческая повесть. - М.: Молодая гвардия, 1982. - 191 с.
3. Ожегов С. И., Шведова Н. Ю. Толковый словарь русского языка: 72500 слов и выражений/Российская АН. институт русского языка.; Российский фонд культуры. - М.: Азъ Ltd., 1992. - 960 с.
4. Царева М. В. Стихотворение, «Великий чтива книг», 2015.
Всю историю развития физики, как и естествознания, можно условно разделить на три этапа - доклассический, классический и современный.
Этап доклассической физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать обоснованным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Этот этап - самый длительный: он охватывает период от времени Аристотеля (IV в. до н.э.) до конца XVI в.
Начало этапа классической физики связывают с работами итальянского ученого Галилео Галилея, одного из основателей точного естествознания, и трудами английского математика, механика, астронома и физика Исаака Ньютона, основоположника классической физики. Второй этап длился около трех веков до конца XIX в.
К началу XX в. были получены экспериментальные результаты, трудно объяснимые в рамках классических знаний. Поэтому был предложен совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовую гипотезу впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк, вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. С введением квантовой концепции начинается третий этап развития физики - этап современной физики , включающий не только квантовые, но и классические представления.
Этап доклассической физики открывает геоцентрическая система мировых сфер Аристотеля, которая родилась на подготовленной его предшественниками идейной почве. Переход от эгоцентризма - отношения к миру, характеризующегося сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму - первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, дополнилась аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал более завершенным, но оставался ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов - обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носившие в основном умозрительный характер, подтвердились гораздо позднее - в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел, доживало свои последние годы.
Почти полторы тысячи лет отделяет завершенную геоцентрическую систему древнегреческого астронома Клавдия Птолемея (ок. 90-ок. 160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы польского математика и астронома Николая Коперника. В центре гелиоцентрической системы находится не Земля, а Солнце. Вершина гелиоцентрической системы - законы движения планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером, одним из творцов естествознания Нового времени.
Астрономические открытия Галилео Галилея, его физические эксперименты и фундаментальные законы механики, сформулированные Исааком Ньютоном, положили начало этапу классической физики, который нельзя отделить четкой границей от первого этапа. Для физики и естествознания в целом характерно поступательное развитие: законы Кеплера - венец гелиоцентрической системы с весьма длительной, начавшейся еще в древние времена историей; законам Ньютона предшествовали законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики. Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т.е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристотелевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной. Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил представление Аристотеля об инерции, характеризующее равномерное движение небесных тел вокруг Земли, применять для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении.
Кеплер и Галилей пришли к своим кинематическим законам, предопределившим принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона. Законы Кеплера и закон всемирного тяготения Ньютона послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, открытой в 1781 г. английским астрономом Уильямом Гершелем (1738-1822), английский астроном и математик Джон Адаме (1819-1892) и французский астроном
бен Леверье (1811-1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование заурановой планеты, которую обнаружил в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812-1910). Она называется Нептун. В 1915 г. американский астроном Персиваль Ловелл (1855-1916) рассчитал и организовал поиск еще одной планеты. Ее обнаружил в 1930 г. молодой американский любитель астрономии Клайд Томбо. Эта планета получила название Плутон.
Этап классической физики характеризуется крупными достижениями не только в классической механике, но и в других отраслях: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т.п. Назовем важнейшие из них:
- * установлены опытные газовые законы;
- * предложено уравнение кинетической теории газов;
- * сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики;
- * открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции;
- * разработана электромагнитная теория;
- * явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование;
- * сформулированы законы поглощения и рассеивания света.
Конечно, можно назвать и другие не менее важные естественно-научные достижения. Особое место в физике занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Дж.К. Максвеллом, создателем теории классической электродинамики, одним из основоположников статистической физики. Он установил, кроме того, статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Теория электромагнитного поля (уравнения Максвелла) объяснила многие известные к тому времени явления и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и эта теория оказалась не всесильной.
В конце XIX в. при экспериментальном изучении спектра излучения абсолютно черного тела была установлена закономерность распределения энергии. Полученные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. Такие результаты эксперимента не удалось объяснить в рамках классической электродинамики Максвелла. Эта проблема была названа «ультрафиолетовой катастрофой».
Согласующееся с экспериментом объяснение предложил в 1900 г. Макс Планк. Для чего ему пришлось отказаться от общепринятого положения классической физики о том, что энергия любой системы изменяется только непрерывно, т.е. принимает любые сколь угодно близкие значения. В соответствии с выдвинутой Планком квантовой гипотезой атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте.
Характерная особенность этапа современной физики заключается в том, что наряду с классическими развиваются квантовые представления. На основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц - появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.
В одной из своих статей М. Планк писал о том, как во времена его молодости (примерно в 1880 г.) один уважаемый профессор не советовал заниматься физикой, полагая, что в физике осталось только стирать пыль с существующих физических приборов, так как главное уже сделано. Сейчас очевидно: профессор в своих прогнозах ошибался - XX столетие принесло немало великих открытий в физике, определивших многие перспективные направления развития разных отраслей естествознания.
В формировании квантово-механических представлений важную роль сыграла квантовая теория фотоэффекта, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. Именно за эту работу и вклад в теоретическую физику, а не за теорию относительности, ему в 1921 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.
В развитие современной физики существенный вклад внесли выдающиеся ученые, среди которых следует назвать датского физика Нильса Бора (1885-1962), создавшего квантовую теорию атома, немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга (1901-1976), сформулировавшего принцип неопределенности и предложившего матричный вариант квантовой механики, финского физика-теоретика Эрвина Шредингера (1887-1961), разработавшего волновую механику и предложившего ее основное уравнение (уравнение Шредингера), английского физика Поля Дирака, разработавшего релятивистскую теорию движения электрона и на ее основании предсказавшего существование позитрона, английского физика Эрнеста Резерфорда (1871-1937), создавшего учение о радиоактивности и строении атома, и многих других.
В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность и выдвигались идеи о строении атомного ядра. В 1938 г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики.
В исследовании ядерных процессов важную роль играют детекторы частиц, в том числе и черенковский счетчик, принцип действия которого основан на Черенкова - Вавилова излучении света, которое возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превосходящей фазовую скорость света в нем. Это излучение было обнаружено в 1934 г. нашим соотечественником, физиком П.А. Черенковым (1904-1990), лауреатом Нобелевской премии 1958 г., под руководством академика СИ. Вавилова (1891-1951), основателя научной школы физической оптики.
Одно из крупнейших достижений физики XX в. - это, безусловно, создание в 1947 г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли, удостоенными в 1956 г. Нобелевской премии по физике. С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология - полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания - микроэлектроника. В 1958 г. собрана первая интегральная схема в виде пластины из монокристалла кремния площадью несколько квадратных сантиметров, на которой располагались два транзистора и RC-цепи. Современный микропроцессор размером 1,8 см содержит около 8 млн транзисторов. Если размеры элементов первых транзисторов составляли доли миллиметра, то сегодня они равны 0,35 мкм. Это современный технологический уровень. В последнее время разрабатывается технология формирования элементов нанометровых размеров.
Создание квантовых генераторов на основе вынужденного излучения атомов и молекул - еще одно важнейшее достижение физики XX в. Первый квантовый генератор на молекулах аммиака - источник электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне (мазер) - разработан в 1954 г. российскими физиками Н.Г. Басовым, A.M. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом. В 1964 г. за эту работу им присуждена Нобелевская премия по физике. К настоящему времени разработано много модификаций квантовых генераторов, в том числе и оптических квантовых генераторов, называемых лазерами, получивших широкое практическое применение. Появились уникальные лазеры - химические, атомные и другие, которые открывают перспективные направления лазерных технологий.
Высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 г. немецким физиком Г. Беднорцем и швейцарским ученым А. Мюллером, удостоенными Нобелевской премии 1987 г., - вне всякого сомнения выдающееся достижение современного естествознания. Созданию единой теории фундаментальных взаимодействий, управлению термоядерным синтезом - этим и многим другим проблемам современной физики уделяется большое внимание, и в их решении принимают участие ученые многих стран.
Загрузка...
