Зародження і розвиток фізики як науки. Роль фізичного знання в житті людини і суспільному розвитку. Методи наукового пізнання

Лекція № 1

Тема: 

Зародження і розвиток фізики як науки. Роль фізичного знання в житті людини і суспільному  розвитку. Методи наукового пізнання. 

Мета:

Студенти: усвідомлюють роль фізики як фундаментальної науки, основи сучасного природознавства; називають суть і методи наукового пізнання; описують етапи розвитку фізики; характеризують історичний шлях розвитку фізичної картини світу; обґрунтовують необхідність цивілізованого ставлення людини до природи; вказують можливі екологічні проблеми, пов’язані з перетворенням навколишнього світу людиною та шляхи їх вирішення; знають основні одиниці СІ, методи обчислення похибок; розуміють сутність фізичної моделі; вміють утворювати дії з векторами, класифікують фізичні величини на векторні та скалярні.

 Обладнання: таблиці, відео фільм «Фізичні явища у природі», презентація «Фізика навколо нас», роздатковий матеріал «Фізика на залізниці».

Структура:

1. Мотивація навчання.
2. Актуалізація опорних знань.
3. Виклад нового матеріалу.

План:

1. Зародження і розвиток фізики як науки.
2. Роль фізичного знання в житті людини і суспільному розвитку.
3. Методи наукового пізнання. 
4. Закріплення вивченого матеріалу (контрольні запитання).
5. Домашнє завдання: [1.2] Вступ. стор. 4-5, [1.5] §1.1-1.10.     
6. Підсумки.

Використана література:

1. Кікоїн І.К., Кікоїн А.К. Фізика. – К.: Освіта, 1990. – 208с.
2. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 9 кл. серед. загальноосв. шк..- К.: Освіта, 2002. 
3. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 10 кл. серед. загальноосв. шк..- К.: Освіта, 2002. – 319 с.
4. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 11 кл. серед. загальноосв. шк..- К.: Освіта, 2002. – 319 с.
5. Жданов Л.С., Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.: Высшая школа, 1983.
6. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика. 10 кл.: Підруч. для загальноосвіт.навч. закл. – К.: Ірпінь: ВТФ «Перун», 2002. – 296с
7. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф. Фізика. 11 кл.: Підруч. для загальноосвіт.навч. закл. – К.: Ірпінь: ВТФ «Перун», 2002. – 296с

ЗАРОДЖЕННЯ І РОЗВИТОК ФІЗИКИ ЯК НАУКИ

Народи Вавилонії, Єгипту, Ассірії, Індії, Китаю за багато років нагромадили значний запас природничо-наукових і технічних знань. Свідченням цього є величні споруди Вавилона, унікальні єгипетські піраміди, іригаційні системи, різного роду військові колісниці, метальні машини і пристрої.

Новий етап у розвитку науки починається  з середини І тисячоліття до нашої  ери, коли на історичну арену виходить Стародавня Греція.  Родоначальником  першої грецької філософської школи  був Фалес із Мілета (бл. 625—547 до н.е.), якого називали одним із семи мудреців стародавніх часів. Від нього беруть початок наші знання з електрики й магнетизму. Він описав властивості натертого бурштину (янтарю) притягати легкі тіла, а магніту — залізо. Його наступником був Анаксімандр (610—546 до н.е.), який висловив думку про єдність матеріального світу. Геракліт з Ефеса (594—475 до н.е.) стверджував, що все існує і у той же час не існує, бо все тече. Піфагорійці «надали геометрії характеру справжньої науки». Ксенофан (580—488 до н.е.), Парменід (V ст. до н.е.), Зенон (V ст. до н.е.) стверджували єдність світу, але разом з тим проголосили тезу про незмінність і нерухомість усього існуючого. Проти рухомості особливо  відомі висловлювання Зенона. Демокріт (460—370 до н.е.) перший з наївно матеріалістичних позицій пояснив, що всі тіла складаються з найдрібніших матеріальних частинок — атомів, що немає нічого, крім атомів і пустоти. Основна теза Демокріта — вічність і незнищуваність матерії. Епікур (341—270 до н.е.) стверджував, що всі тіла складаються з неподільних, щільних частинок, які розрізняються формою, вагою, величиною. Він також визнавав існування атомів і пустоти, стверджував вічність матерії. Епікур узагальнив усі наукові досягнення свого часу і виклав їх у таких творах, як «Фізика», «Метафізика», «Метеорологія» тощо. Значний внесок у розвиток механіки зробив Арістотель. Він не тільки дав означення механіки як науки, а й детально вивчав розбіжності тиску й удару, зробив важливий внесок у розв’язок задачі про важіль, увів поняття про два роди рухів — природні й вимушені, дав класифікацію руху тіл. Архімед (бл. 287—212 до н.е.) у дослідженнях значну увагу приділяв статиці. У XIII ст. з’явився провісник нової експериментальної науки Роджер Бекон (1214—1294), який  стверджував, що істинне знання здобувається дослідно; сам багато експериментував, зокрема дізнався про склад пороху, досліджував властивості пари, винайшов способи одержання у чистому виді фосфору, магнію, вісмуту тощо. Микола Кузанський (1401—1464) висловив думку про матеріальну єдність світу. Йому належать відомі досліди з вимірювання часу падіння різних тіл: дерева, каміння, свинцевої кулі тощо. Леонардо да Вінчі (1452—1519) вважав найправильнішим дослідне вивчення природи, стверджуючи, що дослід був учителем тих, хто добре писав, і що мудрість—дочка досліду, бо тільки ґрунтуючись на ньому, можна дістати позитивні результати у дослідженні природи. Міколай Копернік (1473—1543) у своїх працях не лише відкинув систему світу Птолемея, а й запропонував нову, геліоцентричну систему. З цього часу розпочалася наукова революція у природознавстві. Галілео Галілей (1564—1642), досліджуючи падіння різноманітних тіл, відкинув хибне твердження Арістотеля про залежність швидкості падіння тіл від їхньої ваги, доповнив і розвинув далі вчення Арістотеля про рух і розробив основи динаміки.  Френсіс Бекон (1561—1626) виклав основний метод пізнання природи —метод індукції. Він приділив велику увагу питанню експерименту як абсолютно необхідній умові при виченні природи. Рене Декарт (1596—1650 ) дав чітке формулювання закону інерції і багато уваги приділив визначенню таких важливих понять, як маса, сила, тиск, удар тощо. Він вперше увів поняття про закон збереження кількості руху і сформулюв його: «...коли одне тіло зіштовхується з іншим, воно не може надати йому ніякого іншого руху крім того, що втрачає під час цього зіштовхування, як не може і відняти у нього більше, ніж одночасно придбати собі». Даниїл Бернуллі (1700—1782) вважається одним із найвидатніших фізиків і математиків свого часу. Так, Паризька академія десять разів присуджувала премії Д. Бернуллі за кращі дослідження з проблем математики і фізики. Л. Ейлер (1707—1783) написав понад 860 праць, які становлять більше ніж 40 тис. друкованих сторінок. У 1736 р. у Петербурзі вийшла книга «Механіка, або наука про рух, викладена аналітично», яка стала важливою віхою у розвитку фізики. Ж. Даламбер (1717—1783) сформулював загальний принцип динаміки системи — так званий принцип Д’Аламбера, за яким рух системи точок відбувається так, що в кожний момент часу втрачені сили й сили (зв’язків) взаємно врівноважуються. Ж. Лагранж (1736—1813) остаточно затвердив нові аналітичні методи у механіці і створив аналітичну динаміку системи матеріальних точок. М. В. Ломоносов (1711—1765) уперше розробив основи молекулярно-кінетичної теорії, пояснив природу теплоти, сформулював закон збереження руху і матерії тощо. Д. Фаренгейт (1686—1736) у 1709 р. виготовив спиртові термометри, а в 1714—1715 рр. створив перші ртутні термометри з основними точками 0^о і 212^о. Р. Реомюр (1683—1757) описав винайдений ним спиртовий термометр, шкала якого між точкою танення льоду (взятої ним за 80^о) і точкою кипіння води (0^о) була поділена на 80 рівних частин, А. Цельсій (1701—1744) запропонував у 1742 р. термометричну шкалу з основними точками 0^о і 100^о. Г. Ріхман (1711—1753) виконав важливі експериментальні дослідження з визначення впливу температури, форми і поверхні тіл та швидкості руху охолоджувального середовища на теплообмін, обґрунтував закон охолодження тіла, дослідив процеси випаровування залежно від стану середовища, температури. А. Лавуазьє (1743—1794) і П. Лаплас (1749—1827) у 1783 р. запропонували калориметричний метод вимірювання теплоємностей тіл і у праці «Мемуари про теплоту» описали сконструйований ними калориметр.

Створені  в кінці XVII — на початку XVIII ст. (в 1690 р. французьким фізиком Д. Папеном (1647—1714), у 1698 р. англійським інженером Т. Севері (1650—1712) і, нарешті, у 1705 р. англійським винахідником Т. Ньюкоменом (1663—1729)) вогнедіючі пароатмосферні машини не могли задовольнити потреби суспільства через свою технічну недосконалість. У цих машинах

парові двигуни були зроблені у  комбінації з водяними колесами, які  відігравали роль передавального механізму; вони були надто громіздкі, неекономічні і використовувалися лише для  відкачування води з шахт. Першу парову машину універсальної дії, яка забезпечила практичне застосування теплоти для механічних потреб, сконструював видатний  російський теплотехнік І. І. Ползунов (1728—1766). У 1784 р. універсальну парову машину розробив англійський винахідник Д. Уатт (1736—1819), який вперше застосував у ній відцентровий регулятор з дросельною заслінкою для підтримування сталої кількості обертів вала. Універсальна машина Уатта завдяки значній економічності почала широко використовуватися.

Виникнення термодинаміки було тісно пов’язане з практичними  вимогами знайти раціональні основи для будівництва теплових двигунів. Вивчення робочих циклів теплових машин  бере свій початок від 20-х років XIX ст., тобто з часу виходу в світ теоретичної праці молодого французького інженера С. Карно (1796—1832) «Міркування про рушійну силу вогню і про машини, що здатні розвивати цю силу» (1824). Праці С. Карно відіграли  важливу роль у розвитку наукових основ теплотехніки. Стало зрозумілим, що для підвищення ККД теплових машин важливо йти шляхом розширення температурних меж, між якими проходить цикл робочого тіла, тоді як заміна одного робочого тіла іншим сама по собі не може дати ніякої користі. Карно не зміг узагальнити елементарне формулювання другого начала  термодинаміки на довільний оборотний коловий процес. Це зробили пізніше Р. Клаузіус (1822—1888) і У. Томсон (1824—1907). Дослідження С. Карно були продовжені в 1834 р. французьким інженером і фізиком П. Клапейроном (1799—1864), який застосував графічний метод — так званий метод індикаторних діаграм для графічного зображення робочих циклів. У 1834 р. Клапейрон вивів рівняння стану ідеального газу. Це рівняння узагальнив у 1874 р. Д. І. Менделєєв, який увів поняття універсальної газової сталої, розкрив її фізичну суть і записав рівняння стану ідеального газу для будь-якої маси. Це рівняння було назване рівнянням Клапейрона—Менделєєва.

Слід зауважити, що у  першій чверті XIX ст. були встановлені, переважно дослідно, основні газові закони і запроваджені такі важливі поняття, як газова стала, питомі теплоємності газів, парціальний тиск газу тощо. У 1802р. французький фізик Ж. Гей-Люссак (1778—1850) відкрив закон, згідно з яким коефіцієнт об’ємного розширення для всіх газів при сталому тиску однаковий і дорівнює K^-1 . Паралельно з цими дослідженнями французький фізик Ж. Шарль (1746—1823) установив зв’язок між тиском газу, який займає сталий об’єм, і його температурою, причому і тут виявилося, щотермічний коефіцієнт тиску однаковий для всіх газів і дорівнює K^-1. Із закону Шарля неважко встановити існування температури, при якій майже припиняється рух молекул і яка дістала назву «абсолютного нуля». Абсолютний нуль, як відомо, лежить на 273,16^о нижче від 0^о за шкалою Цельсія, і на його основі запроваджено нову шкалу температур, так звану абсолютну шкалу Кельвіна. У 1811 р. італійський фізик А. Авогадро (1776—1856) сформулював важливе для фізики твердження, яке було назване законом Авогадро.

40-і роки XIX ст. посідають  особливе місце в розвитку термодинаміки: вони ознаменовані цілою низкою фундаментальних досліджень, які привели до остаточного визначення першого начала термодинаміки. Г. І. Гесс (1802—1850) вивів важливий закон, згідно з яким тепловий ефект будь-якої хімічної реакції не залежить від шляху (проміжних стадій), а залежить тільки від вихідного і кінцевого станів системи. Дослідженнями, в яких був сформульований принцип еквівалентності теплоти і роботи у зв’язку із загальною ідеєю про взаємоперетворюваність різних форм енергії, були праці німецького вченого Р. Майєра (1814—1878) «Про кількісне і якісне визначення сил» (1841) та «Замітки про сили неживої природи» (1842).

У 1843 р. російський фізик  Е. X. Ленц опублікував працю «Про закони виділення теплоти гальванічним струмом». англійський фізик Дж. Джоуль (1818—1889) видав працю «Про тепловий ефект електромагнетизму і величину роботи теплоти», в яких було встановлено закон теплової дії електричного струму. Джоуль здійснив серію експериментів для визначення механічного еквівалента теплоти за допомогою механічної роботи сил тертя і визначив його числове значення. У 1847 р. видатний німецький природодослідник Г. Гельмгольц (1821—1894) написав працю «Про збереження сил», в якій закон збереження і перетворення енергії набув строгої математичної форми. У. Томсон (1824—1907) поширив принцип Карно для процесів, які відбуваються в теплових машинах, на довільні явища, що пов’язані з тепловим рухом у макроскопічних тілах. 

У наступне десятиліття, працюючи паралельно і незалежно, Томсон і особливо Клаузіус завершили створення класичної теорії другого начала термодинаміки, надавши йому сучасної математичної форми.

Питання для перевірки засвоєння знань: (контроль зворотного зв’язку)

1 Назвіть древньогрецькі наукові школи, їх представників. Який внесок вони зробили в науку?

2. Розкажіть, як розвивалася  механіка. Хто з учених зробив  внесок у цю науку?

3. Дослідіть розвиток молекулярно-кінетичної теорії і термодинаміки.

РОЛЬ ФІЗИЧНОГО ЗНАННЯ В ЖИТТІ ЛЮДИНИ І СУСПІЛЬНОМУ  РОЗВИТКУ

Розвиток фізики, як зазначалося раніше, обумовлений соціальними процесами, загальним рівнем культури суспільства і потребами техніки. Розглянемо, як розвивалися фізичні знання і яку роль вони відігравали, на прикладі найважливіших фізичних відкриттів. Можна поставити таке запитання: чи міг принцип відносності відкрити Арістотель. За часів Арістотеля не було затишних кают корабля, як за часів Галілея, або плавно від’їжджаючих поїздів і відлітаючих літаків, як у наш час. Побудовані у той час суденця плавали під дією нерівномірних рухів веслярів у неспокійному Егейському морі. Зрозуміло, старогрецький учений, що спирався лише на такого роду спостереження, не міг відкрити закон інерції і прийти до формулювання першого закону Ньютона. Отже, можна зробити висновок, що прогрес фізичної науки визначають умови життя і розвиток техніки.

За часів І. Ньютона проблема динамічного обґрунтування руху планет Сонячної системи була чітко  поставлена перед ученими як конкретне  наукове завдання, і багато вчених того часу (Р. Гук, Е. Галлей, Х. Гюйгенс) працювали над пошуками його розв’язання. Успіх прийшов до І. Ньютона, який зрозумів, що планети є найбільш ідеальними об’єктами застосування законів руху. Результатом цього став закон всесвітнього тяжіння—найвище досягнення науки XVII ст.

Відкриття закону збереження і перетворення енергії було неминучим  в епоху технічної революції, коли «на сцені» з’явилася «її  величність — пара». Це було соціальне  замовлення науці, яке вона виконала. Ось чому майже одночасно закон збереження і перетворення енергії відкрили незалежно один від одного представники найбільш розвинених на той час країн: у Франції —Саді Карно (1832), у Німеччині —Роберт Майєр (1842) і Герман Гельмгольц (1847), в Англії — Джеймс Джоуль (1843).

Відкриття електромагнітної індукції ми пов’язуємо з дослідженням цього явища Майклом Фарадеєм, але варто зауважити, що одночасно  з ним електромагнітну індукцію відкрив американський фізик  Джозеф Генрі, а російський фізик  Емілій-Крістіан Ленц встановив загальне правило визначення напряму індукційного струму.

В оптиці епохальні відкриття  хвильових властивостей світла зробили  незалежно один від одного англієць Томас Юнг і француз Огюстен  Френель. Багато дослідників у всьому світі, спираючись на праці Джеймса Максвелла і Генріха Герца, прагнули використовувати електромагнітні хвилі для практичних цілей, таким чином ідея радіо виникла у кількох учених одночасно. Перший радіоприймач було побудовано Олександром Степановичем Поповим, і водночас з ним успіху досягли й інші учені-інженери, наприклад, Гумельмо Марконі.

Спеціальна теорія відносності (СТВ) з’явилася не на порожньому місці. Вона виникла під час розв’язання  так званої проблеми рухомих тіл, над якою, починаючи із середини XIX ст., працювало багато вчених, що прагнули виявити ознаки світлоносного середовища— так званого ефіру. Першим до кінця цю проблему вирішив Альберт Ейнштейн, але впритул до її розв’язання на початку XX cт. наблизились Гендрик Лоренц і А. Пуанкаре.

Закономірності наукових знань можна простежити також на прикладах з історії фізики, які показують діалектику випадковості і необхідності у розвитку фізичної науки. Наприклад, «випадковими» фізичними відкриттями є: відкриття Луїджі Гальвані електричного струму в тілі тварин; виявлення Хансом Ерстедом магнітної дії електричного струму; відкриття рентгенівських променів; виявлення Беккерелем радіоактивного випромінювання; відкриття Генріхом Герцем явища фотоефекту. «Випадковим» було і відкриття фізиком П. А. Черенковим випромінювання світла електронами, рухомими у середовищі зі швидкостями, що перевищують швидкість світла у цьому середовищі.