Характеристика развития физики
Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Характеристика развития физики





На развитие физики существенное влияние оказало учение Ньютона, поэтому развитие физики – это распространение механистических идей Ньютона на всю физику.

Быстрыми темпами и в связи с развитием математики развивается аналитическая механика – создается аналитический аппарат механики, развивается математический анализ, теория дифференциальных уравнений, теория рядов, вариационное исчисление, теория вероятности, начертательная геометрия.

Также на развитие механики оказывает влияние и технический прогресс – растет потребность в разработке теории машин и механизмов, механики твердого тела, проводятся исследования по теплофизике, электричеству и магнетизму. В результате в XVIII веке складываются основные разделы классической физики.

В меньшей степени развивается оптика, но зарождается фотометрия, изучается люминесценция. Английский астроном Дж.Брадлей (закон абберации в 1728 году), наблюдая за неподвижными звездами, заметил, что они с Земли кажутся не совсем неподвижными, а описывают в течении года малые замкнутые траектории на небесной сфере. Причину этого явления он объяснил движением телескопа вместе с Землей, в результате, пока световая частица движется внутри трубы телескопа, весь телескоп (с окуляром) перемещается вместе с движением Земли. Измерив величину абберации и зная скорость движения Земли по орбите, Брадлей подсчитал скорость света и получил значение, близкое к значению, полученному Рёмером.

В целом физика нацелена лишь на количественные исследования отдельных явлений, установление отдельных экспериментальных фактов, выявление частных закономерностей. Огромные успехи небесной механики способствовали развитию и других разделов физики.



Принцип дальнодействия ( если тело А, находящееся в точке а, действует другое тело В, то тело В, находящееся в точке b, испытывает это воздействие в тот же момент).

В XVIII веке последователи Ньютона упростили его физическую картину мира: утвердилось представление о существовании бесконечно пустого межпланетного и межзвездного пространства (по Ньютону – мировая материя крайне разряжена), утвердился принцип дальнодействия как передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью.

Ньютон считал, что существует передатчик этого действия, который может иметь и нематериальную основу. Но все это было чуждо физикам века Просвещения, т.к на этом этапе научные исследования стали упрощенными, стандартизированными (а для этого нужны были немедленный эффект и простейшее обоснование).

Принцип дальнодействия утвердился, т.к. гравитационное взаимодействие макроскопических объектов незаметно, поскольку притяжение слабо, чтобы его ощутить. Только в 1774 г. Н.Маскелайн обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением находящейся поблизости горы, а в 1797 г. Г.Кавендиш поставил эксперимент по измерению силы притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами (первое лабораторное наблюдение).

Теория теплорода

В то время нагревание тела связывали с присутствием некой жидкости – теплорода, частицам которого присущи определенные силы. Так, между частицами теплорода действуют отталкивающие силы, а между частицами теплорода и частицами материальных тел – силы притяжения.

Тепловые явления изучали в связи с другими физическими явлениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работы. Физики полагали, что теплота переходит от одного тела к другому подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой; теплота перетекает по телу без потерь, подобно воде по трубам.

Теорию теплорода поставил под сомнение американец Б.Румфорд, который обратил внимание на выделение теплоты при сверлении пушечных стволов и пришел к выводу (в 1798 г), что количество выделяемой теплоты не зависит от объема вещества, из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное количество теплоты.

Теория теплорода, будучи простой, удовлетворяла эмпирическим и формалистическим традициям науки того времени, направленности ньютонианской физики. Она сыграла положительную роль, объединив факты и теории, позволив их систематизировать. Хоть и в искаженном виде, она отражала некоторые закономерности тепловых явлений. Продержалась столетия, т.к. не тормозила развитие физики и не сразу вошла в противоречие с действительностью.

Учение об электричестве и магнетизме

В 1729 г. англичанин С.Грей открыл явление электрической проводимости, обнаружив, что электричество способно передаваться некоторыми телами. И разделил все тела на проводники и непроводники.

Француз Ш.Ф.Дюфе открыл существование отрицательного и положительного электричества и обнаружил, что «однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются».

Важным шагом стало изобретение в 1745 г. лейденской банки, благодаря которому физики могли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. Это усилило интерес к изучению электрических явлений.

Появилась мысль, что электричество играет важную роль в жизнедеятельности организма (трактаты об «электрической лечебной материи» и «электричестве человеческого тела»).

После изобретения лейденской банки Б.Франклин предложил гипотезу об электрической природе молнии и экспериментальный метод её проверки, а также идею громоотвода. В своих работах рассматривал электрические явления, как проявление некоторой «электрической материи», сформулировал понятие электрического заряда и закон его сохранения.

Во II половине XVIII века учение усиленно развивается:

· А.Вольт изобрел источник постоянного тока – вольтов столб;

· выявляется способность электричества вызывать химические действия;

· зарождается электрохимия;

· Ш.О.Кулон измерил величину электрического заряда и установил основной закон электростатики – закон Кулона (электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния, т.е. так же, как гравитационная сила).

Но по величине электрические силы намного превосходят гравитационные.

Физика 1 половины XIX века

В первой половине XIX века происходит промышленный переворот во всех передовых странах Европы.

Основой промышленного производства становится крупная машинная металлургия. Высокими темпами развиваются металлургическая, горнодобывающая, химическая, металлообрабатывающая и др. области. Требуется внедрение новых технологических методов, улучшение организации производства, что в свою очередь требует применения и развития естественнонаучных знаний.

В единстве с естествознанием происходит становление прикладных наук, прежде всего технических.

В первую очередь развивается теплотехника, возникновение которой стало реакцией на промышленный переворот, энергетической основой которого была паровая машина (Фултон в 1807 году в Америке построил пассажирский колесный пароход; первая железная дорога в Англии в 1825 году, в России в 1837 году).

Зарождающаяся электротехника изучает закономерности применения электричества в технике. Электричество используют для связи – после открытия Х.К.Эрстедом в 1819 году действия электрического тока на магнитную стрелку возникла идея построить электромагнитный телеграф. Возникает гальванопластика (русский академик Б.С.Якоби)

В 1839 году французом Л.Дагером был разработан практический метод получения фотографических снимков. Позитивное изображение получалось на стеклянной пластинке, покрытой светочувствительной пленкой. Несмотря на несовершенство, метод был широко распространен. В 1850-х гг. появился обычный метод фотографирования.

Быстро развивается оптика, возникает учение о электромагнетизме, складываются основы волновой оптики, теории дифракции (отклонение распространения волн от прямолинейного при взаимодействии с препятствием), интерференции (сложение в пространстве нескольких волн, при котором амплитуда результирующей волны в разных точка увел. или умен.) и поляризации.

Волновая теория

В XVIII веке большинство ученых придерживалось корпускулярной теории света, которая хорошо объясняла многие, но не все оптические явления. Но в XIX веке появляются идеи, которые не объяснялись корпускулярной теорией. Это приводит в возрождению забытых идей волновой оптики и в результате волновая теория победила над корпускулярной.

В 1799 году Т. Юнг критиковал корпускулярную теорию, указывая на явления, которые нельзя объяснить - одинаковые скорости световых корпускул, при переходе из одной среды в другую одна часть лучей постоянно преломляется, а другая постоянно отражается. И Юнг предложил рассматривать свет как колеблющееся движение частиц эфира, а волновую природу он обосновывал явлением интерференции.

Положительные результаты работы Юнга не привели к отказу от корпускулярной теории.

В1815 году против нее выступил француз О.Френель – он объединил все результаты и изложил в своей работе о дифракции света на суд комиссии – Лаплас, Гей-Люссак, Пуассон - сторонников корпускулярной теории. Комиссия признала правильность его результатов и присудила премию. Однако теория не стало общепринятой.

Последним, что поставило под сомнение корпускулярную теорию, были результаты измерения скорости света в воде. Согласно ей, скорость света в оптически более плотной среде должна быть больше, чем в корпускулярной теории оптически менее плотной, а по волновой теории – наоборот. В 1850 г. французы Фуко и Физо, измеряя скорость света с помощью вращающегося зеркала, показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе.

К середине XIX века сторонников корпускулярной теории осталось мало.

Проблема эфира

Теория света должна была решить вопрос о свойствах среды – носителя световых волн (такую среду назвали эфиром). Ответ на вопрос предполагал решение фундаментальных проблем:

· какую волну представляют собой световые колебания – продольную или поперечную. Если световые волны продольны (как звуковые колебания), то теорию эфира надо строить по аналогии с акустикой и теорией газов; поперечные же колебания распространяются лишь в плотных (не газообразных) средах

· каким образом эфир взаимодействует с движущимся источником света

 

Для ответа на первый вопрос решающим оказалось объяснение поляризации света на основе гипотезы поперечных колебаний – теория поляризации света Френеля. Согласно этой теории свет, испускаемый светящимся телом, не является поляризованным. А так как поляризованные лучи не интерферируют, не влияют друг на друга, Френель сделал вывод о поперечности световых волн. Но этот вывод привел к затруднениям: с одной стороны, эфир как носитель поперечных колебаний (распространяются с большой скоростью) должен быть твердым веществом, а с другой стороны, он не должен оказывать заметного препятствия прохождению через него небесных тел. Попытки выяснить причину противоречий ни к чему не привели.

В теории возникает и еще одна проблема – определение характера взаимодействия между движущейся Землей и эфиром как носителем световых волн. Конкретно она выражалась в вопросе: увлекается или нет эфир Землей при её движении в Космосе. Если эфир не увлекается, значит он является абсолютной системой отсчета, и тогда механические, электрические, оптические и магнитные процессы можно связать в единое целое. Если же он увлекается движущимися телами, то существует взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях, но отсутствует в механических явлениях. Это проблема, до возникновения СТО, определяла развитие фундаментальных проблем теоретической физики. Особенно она обострилась после создания Максвеллом теории электромагнитного поля.

Полевая концепция

В начале XX века выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. В 1819 г. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. В это же время Ампер установил закон взаимодействия электрических токов и пришел к выводу. Что все магнитные явления сводятся к взаимодействию токов, магнитных же зарядов не существует.

В 1821 году Фарадей ставит перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество». Но лишь в 1831 году ему удается показать, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Это открытие привело к разработке принципов электродвигателя и электрогенератора. Фарадей возражал против атомистического взгляда на строение вещества: наличие атомов и пространства между ними. Если пустота – проводник, то все тела должны быть проводниками, а если пустота – не проводник, то все тела должны быть изоляторами, ни того, ни другого не наблюдается.

Фарадей создает новую теорию структуры вещества: исходным материальным образованием являются не атомы, а поле; атомы – лишь сгустки силовых линий поля. Материя занимает все пространство, она активна и немыслима без движения, имеет силу притяжения и отталкивания. Сила, по Фарадею, это активность тела или материи; а атомы – центры сил притяжения и отталкивания, они проницаемы и бесконечны в пространстве.

В основе теории электричества и магнетизма Фарадея лежит представление об электрических и магнитных силовых линиях, заполняющих все пространство. Силовые линии объединяются в объемные силовые трубки. Силовые линии – это характеристики реального электромагнитного поля – особого вида материи, носителя и передатчика энергии.

Возникновение полевой концепции Фарадея стало началом становления современной континуальной физики. Но идеи Фарадея воспринял лишь Максвелл, который их развил и построил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике понятие «эфир» и сформулированное в теории электрических и магнитных явлений понятие «электромагнитное поле» сначала сближаются, а после создания теории относительности – отождествляются.

Закон сохранения и превращения энергии

Возникновению и развитию идеи о взаимопревращаемости «сил» природы способствовали исследования химических, тепловых, световых действий электрического тока, процессов превращения теплоты в работу.

Основную роль, в установлении закона сыграли Маейр, Гельмгольц и Джоуль. Значение этого закона выходило за пределы физики и касалось всего естествознания.

В настоящее время закон является важным принципом физической науки. Новая форма действия этого закона основана на учете взаимосвязи массы и энергии (Е=mc2): закон сохранения массы применяется совместно с законом сохранения энергии.

Концепции пространства и времени

Материя, абсолютное пространство и абсолютное время – это три независимые друг от друга субстанции, начала мира.

Абсолютное пространство – чистое и неподвижное вместилище тел; абсолютное время – чистая длительность, равномерность событий.

Ньютон считал, что возможно существование мира, в котором есть лишь пространство и нет материи, ни времени; либо мир, в котором есть пространство и время и нет материи; либо мир, в котором есть время и нет пространства и материи. По мнению Ньютона, пространство и время – реальные физические характеристики мира, но их свойства могут быть постигнуты лишь в абстракции. В своей жизни человек имеет дело лишь с относительными движениями, связывая системы отсчета с конкретными телами, т.е. имеет дело с относительными пространством и временем.

По-новому посмотрели на свойства пространства в связи с открытием неевклидовой геометрии. Лобачевский в 1829 году считал, что вопрос о том, евклидовой или неевклидовой геометрии подчиняется реальное пространство, должен решить опыт астрономических наблюдений. Он полагал, что свойства пространства определяются свойствами материи и её движения и считал, что «некоторые силы в природе следуют одной, другие своей особой геометрии».

В 1868 году Риман ввел обобщенное понятие пространства как непрерывного многообразия n-го порядка или совокупности любого рода однотипных объектов – точек, определяемых системой чисел (х12,….,хn).

Идеи неевклидовых геометрий первое время имели мало сторонников, т.к. противоречили «здравому смыслу». Окончательные сомнения в логической правильности неевклидовых геометрий были развеяны в работах математика Э.Бельтрами, который показал, что на поверхностях постоянной отрицательной кривизны (псевдосферы) осуществляется именно неевклидова геометрия Лобачевского.

Развитие теории неевклидовых пространств привело к задаче построения механики в таких пространствах – если механику невозможно построить в неевклидовом пространстве, то, значит, реальное неевклидово пространство невозможно. Исследования показали, что механика может быть построена в неевклидовом пространстве.

В классической физике же пространство оставалось евклидовым, и большинство физиков не видели необходимости рассматривать физические явления в неевклидовом пространстве.









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.