Период становления физики как науки. Физика И.Ньютона

1678

– Создание Х. Гюйгенсом  волновой теории свеча и объяснение на ее основе всех известных тогда  явлений. Впервые идею волновой природы  света высказали в 1648 Я. Марци  и в 1665 Ф. Гримальди и Р. Гук. 
– Открытие поляризации света (Х. Гюйгенс). 
– Х. Гюйгенс впервые опытным путем определил величину силы тяжести для Парижа (g = 979,9 см/с²).

1680

– Д. Папин изобрел  паровой котел (котел Папина). В 1681 он снабдил его предохранительным  клапаном.

1687

– Вышел в свет труд И. Ньютона “Математические начала натуральной философии” (“Начала”), содержащие основные понятия и аксиоматику механики, в частности три основных ее закона (законы Ньютона) и закон всемирного тяготения. Выход в свет “Начал” открыл новый период в истории физики, так как в них впервые содержалась законченная система механики, законы которой управляют большим количеством процессов в природе.

3.3 Эксперимент Исаака Ньютон

В 1672 году Исаак Ньютон проделал простой эксперимент, который  описан во всех школьных учебниках. Затворив ставни, он проделал в них небольшое отверстие, сквозь которое проходил солнечный луч. На пути луча была поставлена призма, а за призмой — экран. На экране Ньютон наблюдал «радугу»: белый солнечный луч, пройдя через призму, превратился в несколько цветных лучей — от фиолетового до красного. Это явление называется дисперсией света. 
Сэр Исаак был не первым, наблюдавшим это явление. Уже в начале нашей эры было известно, что большие монокристаллы природного происхождения обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой еще до Ньютона выполнили англичанин Хариот и чешский естествоиспытатель Марци. 
Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались серьезному анализу, а делавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. И Хариот, и Марци оставались последователями Аристотеля, который утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к белому свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный — при наименьшем. Ньютон же проделал дополнительные опыты со скрещенными призмами, когда свет, пропущенный через одну призму, проходит затем через другую. На основании совокупности проделанных опытов он сделал вывод о том, что «никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Он показал, что белый свет нужно рассматривать как составной. Основными же являются цвета от фиолетового до красного. 
Этот эксперимент Ньютона служит замечательным примером того, как разные люди, наблюдая одно и то же явление, интерпретируют его по-разному и только те, кто подвергает сомнению свою интерпретацию и ставит дополнительные опыты, приходят к правильным выводам. 

3.4 Эксперимент Генри Кавендиша

Установление Ньютоном закона всемирного тяготения явилось важнейшим событием в истории физики. Его значение определяется прежде всего универсальностью гравитационного взаимодействия. На законе всемирного тяготения основывается один из центральных разделов астрономии — небесная механика. Мы ощущаем силу притяжения к Земле, однако притяжение малых тел друг к другу неощутимо. Требовалось экспериментально доказать справедливость закона всемирного тяготения и для обычных тел. Именно это и сделал Г.Кавендиш, попутно определив среднюю плотность Земли.

где m₁ и m₂ — массы материальных точек, R — расстояние между ними, a F — сила взаимодействия между ними. До начала XIX века G в закон всемирного тяготения не вводилось, так как для всех расчетов в небесной механике достаточно использовать постоянные GM, имеющие кинематическую размерность. Постоянная G появилась впервые, по-видимому, только после унификации единиц и перехода к единой метрической системе мер в конце XVIII века. Численное значение G можно вычислить через среднюю плотность Земли, которую нужно было определить экспериментально. Очевидно, что при известных значениях плотности ρ и радиуса R Земли, а также ускорения свободного падения g на её поверхности можно найти G:

Первоначально эксперимент  был предложен Джоном Мичеллом. Именно он сконструировал главную деталь в экспериментальной установке — крутильные весы, однако умер в 1793 так и не поставив опыта. После его смерти экспериментальная установка перешла к Генри Кавендишу. Кавендиш модифицировал установку, провёл опыты и описал их в Philosophical Transactions в 1798.

Установка

Крутильные весы

Установка представляет собой деревянное коромысло с  прикреплёнными к его концам небольшими свинцовыми шарами. Оно подвешено на нити из посеребрённой меди длиной 1 м. К шарам подносят шары большего размера массой 159 кг, сделанные также из свинца. В результате действия гравитационных сил коромысло закручивается на некий угол. Жёсткость нити была такой, что коромысло делало одно колебание за 15 минут. Угол поворота коромысла определялся с помощью луча света, пущенного на зеркальце на коромысле, и отражённого в микроскоп. Зная упругие свойства нити, а также угол поворота коромысла, можно вычислить гравитационную постоянную.

Для предотвращения конвекционных  потоков установка была заключена  в ветрозащитную камеру. Угол отклонения измерялся при помощи телескопа.

Списав закручивание нити на магнитное взаимодейстивие  железного стержня и свинцовых  шаров, Кавендиш заменил его медным, получив те же результаты.

Вычисленное значение

В «Британнике» утверждается, что Г. Кавендиш получил значение G=6,754·10^-11 м³/(кг·с³)^[1]. Это же утверждают Е. P. Коэн, К. Кроув и Дж. Дюмонд^[2] и А. Кук. ^[3].

Л. Купер в своём  двухтомном учебнике физики приводит другое значение: G=6.71·10^-11м³/(кг·с³)^[4].

О. П. Спиридонов — третье: G=(6.6 ± 0.04)·10^-11м³/(кг·с³)^[5].

Однако в классической работе Кавендиша не было приведено  никакого значения G. Он рассчитал лишь значение средней плотности Земли: 5.48 плотностей воды^[6] (современное значение 5,52 г/см³). Вывод Кавендиша о том, что средняя плотность планеты 5,48 г/см³ больше поверхностной ~2 г/см³, подтвердил, что в глубинах сосредоточены тяжёлые вещества.

Гравитационная постоянная была введена, по-видимому, впервые  только С. Д. Пуассоном в «Трактате по механике» (1811)^[7]. Значение G было вычислено позже другими учеными из данных опыта Кавендиша. Кто впервые рассчитал численное значение G, историкам неизвестно.

 

Заключение.

Наша земля имеет  радиус приблизительно 6400 км, люди живут лишь на поверхности этого шара, вся наша деятельность распространяется лишь на 10 километров вглубь и на 20 километров в высоту, в этой тонкой оболочке заключены все наши науки, это соизмеримо с кожурой яблока, физика же изучает всю нашу необъятную вселенную, начиная от фантастически малых частиц заканчивая гигантскими звездами на краю вселенной. 
На протяжении всего существования человечества люди пытались понять окружающий их мир. Природное любопытство, жажда познаний и стремление облегчить себе жизнь заставляли людей изучать законы мироздания. С древних времен люди копили и передавали свои знания об устройстве мира, а когда их стало достаточное количесто-образовалась наука, которую мы сейчас  называем физика.

Именно физики двигают  прогресс,  именно благодаря этой науке вы используете сложнейшие аппараты, живете в домах, где есть газ, телефон, свет, водоснабжение и  канализация(да все мы прекрасно  помним о российских реалиях, но ведь все это скорее есть чем нет). Эта наука дала человеку комфорт и безопасность, покорила силы стихий и открыла новые горизонты для завоеваний. Практически во всем, что нас окружает, есть заслуга физики.

 За всю историю человечества в физике накопилось огромное количество фактов. У человека, начинающего знакомиться с физикой, неизбежно возникает серьезный вопрос: неужели для того, чтобы понять устройство Вселенной и законы, по которым она существует, нужно узнать и запомнить все накопленные до сих пор физические факты?! Конечно, нет. Это невозможно. Фактов слишком много. Неизмеримо больше, чем могло бы уместиться не только в человеческом мозгу, но даже на магнитном диске самого современного суперкомпьютера. Совершенно невозможно запомнить или даже просто записать куда-нибудь такое количество цифр. К счастью, это и не нужно. В том и заключается невыразимо гармоничная красота нашего мира, что бесконечное многообразие фактов вытекает из очень небольшого количества базовых принципов. Поняв эти принципы, можно не только понять, но и предсказать громадное множество физических фактов. Например, система уравнений электродинамики, предложенная 150 лет назад Дж. Максвеллом, включает в себя всего четыре уравнения, занимающих от силы 1/10 страницы учебника. Но из этих уравнений можно вывести всю кажущуюся на первый взгляд необъятной совокупность явлений, связанных с электромагнетизмом.

В принципе современная  физика как раз и ставит себе целью  построить единую теорию, которая  включала бы в себя всего несколько  уравнений (в идеале — одно), описывающих  все известные и правильно предсказывающих новые физические факты, но для этого необходимо знать историю развития физики, иметь четкую структуру всех ее открытий.

В данной курсовой работе я рассмотрел   этап зарождения физики, историю ее развития. История физики хранит немало событий и фактов, оказавших большое влияние на ход развития этой древней науки и составивших золотой фонд ее памяти. Размещенные в строгой временной последовательности, эти факты дают возможность проследить генезис основных физических идей и теорий, их взаимосвязь, преемственность и эволюцию, тенденции развития, а некоторые из них, в силу своей фундаментальной роли, открывают новые страницы в летописи физики, изменяя или пополняя научную картину природы.