Сайт учителя физики Кореневой Светланы Ивановны

Начнем наш рассказ словами самого Теслы, написавшего незадолго до смерти замечательный очерк истории электротехники "Сказку об электричестве": "Кто действительно хочет понять все величие нашего времени, тот должен познакомиться с историей науки об электричестве. И тогда он узнает сказку, какой нет и среди сказок "Тысячи и одной ночи".

Впервые явления, ныне называемые электрическими, были замечены в древнем Китае, Индии, а позднее в древней Греции. Сохранившиеся предания гласят, что древнегреческому философу Фалесу Милетскому (640-550 гг. до н. э.) было уже известно свойство янтаря, натертого мехом или шерстью, притягивать обрывки бумаги, пушинки и другие легкие тела. От греческого названия янтаря - "электрон" - явление это позднее получило наименование электризации.

"Рассказ начинается задолго до начала нашей эры, в те времена, когда Фалес, Теофраст и Плиний говорили о чудесных свойствах "электрона" (янтаря), этого удивительного вещества, возникшего из слез Гелиад, сестер несчастного юноши Фаэтона, который пытался овладеть колесницей Феба и едва не сжег всю землю" Однако, создав поэтические легенды о янтаре, греки не продолжали изучения его свойств. Римляне ничего не прибавили к знаниям древних греков, а в средние века было забыто и то, что знали о янтаре в древнем мире. Только в конце XVI века придворный врач английской королевы Елизаветы Уильям Гильберт изучил все, что было известно о свойствах янтаря древним народам, и сам провел немало опытов с янтарем и магнитами. В 1600 году он издал большой труд "О магните, магнитных телах и о самом большое магните - Земле" - настоящий свод знаний того времени об электричестве и магнетизме.

Гильберт впервые обнаружил, что свойства электризации присущи не только янтарю, но и алмазу, сере, смоле. Он заметил также, что некоторые тела, например металлы, камни, кость, не электризуются, и разделил все тела, встречающиеся в природе, на электризуемые и неэлектризуемые. Обратив особое внимание на первые, он производил опыты по изучению их свойств. В середине XVII века известный немецкий ученый, бургомистр города Магдебурга, изобретатель воздушного насоса Отто фон Г ерике построил специальную "электрическую машину", представлявшую шар из серы величиной с детскую голову, насаженный на ось. Если при вращении шара его натирали ладонями рук, он вскоре приобретал свойство притягивать и отталкивать легкие тела.

На протяжении нескольких столетий машину Герике значительно усовершенствовали англичанин Хоксби, немецкие ученые Бозе, Винклер и другие. Опыты с этими машинами привели к ряду важных открытий: в 1707 году французский физик дю Фей обнаружил различие между электричеством, получаемым от трения стеклянного шара (или круга) и получаемым от трения крута из древесной смолы. В 1729 г. англичане Грей и Уилер обнаружили способность некоторых тел проводить электричество и впервые указали на то, что все тела можно разделить на проводники и непроводники электричества.

Но значительно более важное открытие было описано в 1729 году Мушенбреком - профессором математики и философии в городе Лейдене. Он обнаружил, что стеклянная банка, оклеенная с обеих сторон оловянной фольгой (листочками станиоля), способна накапливать электричество. Заряженное до определенного потенциала (понятие о котором появилось значительно позднее), это устройство могло быть разряжено со значительным эффектом - большой искрой, производившей сильный треск, подобный разряду молнии, и оказывавшей физиологические действия при прикосновении рук к обкладкам банки. От названия города, где производились опыты, прибор, созданный Мушенбреком, был назван лейденской банкой. Исследования ее свойств производились в различных странах и вызвали появление множества теорий, пытавшихся объяснить обнаруженное явление конденсации заряда.

Одна из теорий этого явления была дана, выдающимся американским ученым и общественным деятелем Вениамином Франклином, который указал на существование положительного и отрицательного электричества. С точки зрения этой теории Франклин объяснил процесс заряда и разряда лейденской банки и доказал, что ее обкладки можно произвольно электризовать разными по знаку электрическими зарядами.

Практическое значение накопленных за два столетия знаний об электричестве было сравнительно невелико. Это объясняется тем, что потребности практики, промышленности не выдвигали перед наукой требований познания электричества и изучения возможности его использования.

Самым крупным открытием в этой области в XVIII веке было обнаружение в 1791 году итальянским анатомом Луиджи Гальвани появления электричества при соприкосновении двух разнородных металлов с телом препарированной лягушки. Сам Гальвани ошибочно считал, что это явление вызывается наличием особого животного электричества.

Но вскоре другой итальянский ученый, Алессандро Вольта, дал иное объяснение этим опытам. Он экспериментально доказал, что электрические явления, которые наблюдал Гальвани, объясняются только тем, что определенная пара разнородных металлов, разделенная слоем специальной электропроводящей жидкости, служит источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи.

Эта теория, разработанная А. Вольтой в 1794 году, позволила создать первый в мире источник электрического тока в виде так называемого Вольтова столба.

Последний представлял набор кружков из двух металлов (меди и цинка), разделенные прокладками из войлока, смоченного в соляном растворе или щелочи. Описание этого прибора, изготовленного в конце 1799 года, дано в письме А. Вольты к президенту Лондонского королевского общества Банксу от 20 марта 1800 года. .

Опыты с электрическим током привлекали внимание многих ученых разных стран. В 1802 году итальянский ученый Романьози обнаружил отклонение магнитной стрелки под влиянием электрического тока, протекавшего по расположенному вблизи проводнику. В конце 1819 года это явление было вновь наблюдаемо датским физиком Эрстедом, который в марте 1820 года опубликовал на латинском языке брошюру под заглавием "Опыты, касающиеся действия электрического конфликта на магнитную стрелку". В этом сочинении "электрическим конфликтом" был назван электрический ток.

Большое значение имели также открытие Био и Саваром законов действия тока на магнитную стрелку. Особо следует сказать о деятельности замечательного ученого Андре Мари Ампера , положившего начало изучению динамических действий электрического тока и установившему целый ряд законов электродинамики.

Едва лишь Араго продемонстрировал на заседании Парижской Академии наук опыт Эрстеда, как Ампер, повторив его, 18 сентября 1820 года, ровно через неделю, представил в академию сообщение о своих исследованиях. На следующем заседании, 25 сентября, Ампер докончил чтение доклада, в котором он изложил законы взаимодействия двух токов, протекающих по параллельно расположенным проводникам. С этого момента академия еженедельно слушала новые сообщения Ампера о его опытах, завершивших открытие и формулирование основных законов электродинамики.

Одной из важнейших заслуг Ампера было то, что он впервые объединил два разобщенных ранее явления - электричество и магнетизм - одной теорией электромагнетизма и предложил рассматривать их как результат единого процесса природы. Эта теория, встреченная современниками Ампера с большим недоверием, была весьма прогрессивной и сыграла огромную роль в правильном понимании открытых позднее явлений.

Через пять лет после первых работ Ампера был построен первый электромагнит и началось глубокое изучение законов электромагнетизма. В 1827 году немецкий ученый Георг Ом открыл один из фундаментальных законов электричества, устанавливающий основные зависимости между силой тока, напряжением и сопротивлением цепи, по которой протекает электрический ток; в 1847 году Кирхгоф сформулировал законы развертывания токов в сложных цепях.

Открытия Эрстеда, Араго, Ампера заинтересовали гениального английского физика Майкла Фарадея и побудили его заняться всем кругом вопросов о превращении электрической и магнитной энергии в механическую. В 1821 году он нашел еще одно решение поставленной задачи превращения электрической и магнитной энергии в механическую и продемонстрировал свой прибор, в котором он получал явление непрерывного электромагнитного вращения. В тот же день Фарадей записал в свой рабочий дневник обратную задачу: "Превратить магнетизм в электричество". Более десяти лет потребовалось, чтобы решить ее и найти способ получения электрической энергии из магнитной и механической. Лишь в конце 1831 года Фарадей сообщил об открытии им явления, названного затем электромагнитной индукцией и составляющего основу всей современной электроэнергетики.

Исследование Фарадея и работы русского академика Э. X. Ленца, сформулировавшего закон, по которому можно было определить направление электрического тока, возникающего в результате электромагнитной индукции, дали возможность создать первые электромагнитные генераторы и электродвигатели.

История науки свидетельствует о том, что в своем познании Природы, начиная с древних времен, человечество прошло три стадии и вступает в четвертую.

На первой стадии сформировались общие нерасчлененные, недетализированные представления об окружающем мире как о чем-то целом. Именно тогда появилась натурфилософия (философия Природы), содержавшая идеи и догадки, ставшие в 13-15 столетиях зачатками естественных наук. В натурфилософии господствовали методы наблюдения, но не эксперимента, догадки, но не точные выводы. Тем не менее, ее роль в общем ходе познания Природы очень важна.

Именно на этом этапе возникли представления о мире как развивающемся из хаоса, эволюционирующем. Но отсутствие экспериментальных методов не по­зволило тогда получать точные знания. Начало естествознания как точной науки ис­торически относят к 15 -16 векам, т.е. к тому времени, когда исследование При­роды вступило во второй этап - аналитический.

Вторая стадия - аналитическая характерна для 15 – 18 веков. На этой стадии происходило мысленное расчле­нение и выделение частностей, приведшее к возникновению и развитию физики, химии и биологии, а также целого ряда других наук (наряду с издавна существо­вавшей астрономией).

Накопленные с тех пор и до настоящего времени знания в изучении Природы появились как раз на втором этапе.

Аналитическое исследование природных объектов осуществлялось на протяжении многих и многих столетий целой армией исследо­вателей - путешественников, мореплавателей, врачей, астрономов, алхимиков и химиков, наблюдательных крестьян и агрономов. При этом накопление знаний шло не только на основе пассивных наблюдений, но и на основе спланированных экспериментальных исследований. Естественное стремление исследователей ко всё большему охвату разнооб­разных природных объектов и к все более глубокому проникновению в их детали привело к неудержимому разделению соответствующих наук. Например, химия сначала была разделена на органическую и неорганическую, затем появились физическая, аналитическая химия и т.д. Сегодня этот перечень очень велик.

Третья стадия - синтетическая. Постепенно, в течение 19-20 вв. стало происходить воссоздание целостной картины Природы на основе ранее познанных частностей, т.е. наступила третья, так называемая синтетическая стадия.

В настоящее время встала новая задача: обосновать принципиальную целостность всего естествознания. Важно ответить на вопрос: почему именно физика, химия и биология (а также психология) стали основными и как бы самостоятельными разделами науки о Природе. Ряд исследователей считает, что в наши дни начинает осуществляться четвертая интегрально - дифференциальная стадия, на которой рождается действительно единая наука о природе.

Отдельные части научного метода применялись ещё философами древней Греции. Ими были разработаны правила логики и принципы ведения спора. При этом выводам, полученным в результате рассуждений, отдавалось предпочтение по сравнению с наблюдаемой практикой. Знаменитым примером является утверждение, что быстроногий Ахиллес никогда не догонит черепаху.

В XX веке была сформулирована гипотетически-дедуктивная модель научного метода, состоящая в последовательном применении следующих шагов:

1. Используйте опыт: Рассмотрите проблему и попытайтесь осмыслить её. Найдите известные ранее объяснения. Если это новая для вас проблема, переходите к шагу 2.
2. Сформулируйте предположение: Если ничего из известного не подходит, попробуйте сформулировать объяснение, изложите его кому-то другому или в своих записях.
3. Сделайте выводы из предположения: Если предположение (шаг 2) истинно, какие из него следствия, выводы, прогнозы можно сделать по правилам логики?
4. Проверка: Найдите факты, противоречащие каждому из этих выводов, с тем чтобы опровергнуть гипотезу (шаг 2) . Использование выводов (шаг 3) в качестве доказательств гипотезы (шаг 2) является логической ошибкой. Эта ошибка называется «подтверждение следствием» 

Виды научного метода

Теоретический научный метод

Теории

Теория (греч. θεωρЇα, «рассмотрение, исследование») — система знаний, обладающая предсказательной силой в отношении какого-либо явления. Теории формулируются, разрабатываются и проверяются в соответствии с научным методом.

Стандартный метод проверки теорий — прямая экспериментальная проверка («эксперимент — критерий истины»). Однако часто теорию нельзя проверить прямым экспериментом (например, теорию о возникновении жизни на Земле), либо такая проверка слишком сложна или затратна (макроэкономические и социальные теории), и поэтому теории часто проверяются не прямым экспериментом, а по наличию предсказательной силы — то есть если из неё следуют неизвестные/незамеченные ранее события, и при пристальном наблюдении эти события обнаруживаются, то предсказательная сила присутствует.

Гипотезы

Гипотеза (от др.-греч. QπМθεσις — «основание», «предположение») — недоказанное утверждение, предположение или догадка.

Как правило, гипотеза высказывается на основе ряда подтверждающих её наблюдений (примеров) и поэтому выглядит правдоподобно. Гипотезу впоследствии или доказывают, превращая её в установленный факт (см. теорема, теория), или же опровергают (например, указывая контрпример), переводя в разряд ложных утверждений.

Недоказанная и неопровергнутая гипотеза называется открытой проблемой.

Научные законы

Закон — вербальное и/или математически сформулированное утверждение, которое описывает соотношения, связи между различными научными понятиями, предложенное в качестве объяснения фактов и признанное на данном этапе научным сообществом согласующимся с данными. Непроверенное научное утверждение называют гипотезой.

Научное моделирование

Моделирование — это изучение объекта посредством моделей с переносом полученных знаний на оригинал. Предметное моделирование — создание моделей уменьшенных копий с определённым дублирующими оригинальными свойствами. Мысленное моделирование — с использованием мысленных образов. Знаковое или символическое — представляет собой использование формул, чертежей. Компьютерное — компьютер является и средством, и объектом изучения, моделью является компьютерная программа.

Эмпирический научный метод

Эксперименты

Эксперимент (от лат. experimentum — проба, опыт) в научном методе — набор действий и наблюдений, выполняемых для проверки (истинности или ложности) гипотезы или научного исследования причинных связей между феноменами. Эксперимент является краеугольным камнем эмпирического подхода к знанию. Критерий Поппера выдвигает в качестве главного отличия научной теории от псевдонаучной возможность постановки эксперимента, прежде всего такого, который может дать опровергающий эту теорию результат.

Эксперимент делится на следующие этапы:

• Сбор информации;
• Наблюдение явления;
• Анализ;
• Выработка гипотезы, чтобы объяснить явление;
• Разработка теории, объясняющей феномен, основанный на предположениях, в более широком плане.

Научные исследования

Научное исследование — процесс изучения, эксперимента, концептуализации и проверки теории, связанный с получением научных знаний.

Виды исследований: Фундаментальное исследование, предпринятое главным образом, чтобы производить новые знания независимо от перспектив применения. Прикладное исследование.

Наблюдения

Наблюдение — это целенаправленный процесс восприятия предметов действительности, результаты которого фиксируются в описании. Для получения значимых результатов необходимо многократное наблюдение.

Виды:

• непосредственное наблюдение, которое осуществляется без применения технических средств;
• опосредованное наблюдение — с использованием технических устройств.

Измерения

Измерение — это определение количественных значений, свойств объекта с использованием специальных технических устройств и единиц измерения

Количественные методы измерения температуры тел начали развиваться в XVII веке. Первый прообраз термометра демонстрировал на своих лекциях Г. Галилей в 1952 году. Термометр Галилея (термоскоп) состоит из трубки, частично заполненный водой, и стеклянного шарика. Конец трубки был опущен в открытый сосуд с водой. При нагревании шарика давление воздуха в нём увеличивалось и уровень воды в трубке опускался. При охлаждении, наоборот. Таким образом, о температуре можно было судить по уровню воды в трубке. Первое применение термоскоп нашел в медицине.

Термоскоп Галилея имел тот недостаток, что его показания зависели от атмосферного давления.

 Впоследствии во Флоренции были изготовлены полностью запаянные термометры, показания которых не зависели от атмосферного давления. Вода была заменена спиртом с более высокой температурой замерзания.

Для измерения темпе­ратуры можно воспользоваться изменением любой макроскопиче­ской величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т. д. Чаще всего на практике ис­пользуют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры.

 Чтобы показания разных термометров можно было сравнивать, необходимо ввести температурную шкалу. Для этого надо прежде установить постоянные точки с фиксированной температурой. После многих попыток в качестве опорных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды. Впервые это предложил сделать нидерландский учёный Гюйгенс. До этого в качестве опорных точек использовались такие ненадёжные и неопределённые точки, как температура здорового человека (по Ньютону), температура воздуха при первых заморозках в окрестностях Магдебурга (по Герике) и т.д.

Самой употребительной шкалой в англоязычных странах до сих пор является шкала Фаренгейта. За 0⁰  в этой шкале принимается температура смеси тающего снега, поваренной соли и нашатыря, а за 100⁰ – нормальная температура человеческого тела. Температура замерзания воды на этой шкале соответствует 32⁰, а температура кипения – 212⁰. Интервал между точками 1 и 2 разделён на 180 делений.

Ещё одна шкала, об использовании которой вы можете слышать – это шкала французского физика Р. Реомюра. За нулевой градус принята точка таяния снега, t = 80⁰ R – точка кипения воды. Шкала имеет 80 делений.

При градуировке термометров в качестве «опорных точек» ис­пользуют температуру таяния льда и температуру кипения воды при атмосферном давлении. Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами. Перемещение стол­бика жидкости на одно деление соответствует изменению темпера­туры на 1 °С.

Наиболее широко известным термометром является термометр, который предложил Цельсий. В 2002 г. исполнилось 260 лет тер­мометру Цельсия. Профессор астроно­мии из Упсала (Швеция) Андерс Цель­сий (1701-1744) предложил основать принцип его работы на разделении вы­соты ртутного столбика на 100 частей.

Цельсий был довольно заметной фи­гурой среди естествоиспытателей свое­го времени. Однако наибольшую известность он приобрел именно как создатель новой термометрической шкалы, когда в 1742 г. впервые предложил принять в качестве ее опорных точек температу­ры замерзания и кипения воды, а ин­тервал между ними разделить на 100 равных частей. Вот что он писал в сво­ем труде, напечатанном в «Сочинени­ях» Шведской академии наук*:

«Я не вижу более удобного и надеж­ного способа построить такую шкалу, как определить положение ее точек по высоте ртутного столба. Уместно сопо­ставить две точки с температурами за­мерзания и кипения воды...

Температуру замерзания воды точ­нее и удобнее всего можно определить помещением термометра в мокрый, «клейкий» снег минимум на полчаса. Я проделывал это в течение двух лет во все месяцы зимы, в различных погод­ных условиях и разном атмосферном давлении, и всегда показания термо­метра были одинаковыми.

Что касается другой точки шкалы, то хорошо известно, что доведенная до кипения вода не отбирает тепла более, чем нужно для продолжения кипения, и опущенный в холодную воду столбик ртути всегда показывает одно и то же.

Расстояние между точками замерза­ния и кипения можно разделить на 100 частей, чтобы кипение соответство­вало нулю градусов, а замерзание - ста градусам (так в тексте. - Прим. пер.). Я, работая с тремя построенными по этому принципу термометрами, устано­вил, что они в любое время показыва­ют одинаковые значения, и это посто­янство сохраняется при всех условиях и при любой погоде - холодной или теплой».

Человек и природа едины. Человек, являясь частью природы, изучает законы окружающего мира не только из простой любознательности. Изучив то или иное явление, он стремиться применить установленные закономерности для своей практической деятельности. На протяжении столетий, используя законы природы, человек фантастически преобразовал окружающий мир. Приходится удивляться, как физически слабое существо с несовершенными органами чувств сумело создать такие технические устройства, которые превосходят любую фантазию.

Физика подсказывает человеку, как разумно использовать природу. Физика является фундаментом современной техники, основой технического прогресса. Без знания законов физики невозможно было бы открывать и использовать источники энергии, создавать современные машины, автоматизировать производство и управлять им с помощью ЭВМ, разрабатывать новые материалы и технологии.

Добавляйте интересные факты истории открытий, современные научные открытия в области практического применения физических законов, природные явления, которые можно объяснить с помощью законов физики

Между дизайном и физикой Или отель-убийца, который правда еще никого не убил, но вызвал серьезные ожоги у людей и повредил несколько автомобилей. Дизайнеры придумали красивую вогнутую конструкцию и облицевали ее конечно зеркальным стеклом. А она возьми и начни работать как вогнутое зеркало! Кто бы мог подумать, что законы физики оказывается существуют не только для физиков, но и вообще! Добро пожаловать в Лас-Вегас, отель Вдара! Там вас хорошенько вскипятят в бассейне, а потом вы обнаружите пластиковые детали вашей машины расплавленными!