Период становления физики как науки. Физика И.Ньютона

Содержание.

Введение               2

1. Основные периоды и этапы в развитии физики.              3

2 Предыстория физики(от древнейших времен до ХVII в.).              6

2.1 Эпоха античности (VI в. до н. э.– V в. н. э.).              6

2.1.1 Физика как наука того времени.              6

2.1.2 Совершенные открытия.              6-8

2.1.3 Эксперимент Эратосфена Киренского              8

2.1.4 Камера-обскура              9-10

2.2 Средние века (VI – ХIV вв.).              11

2.2.1 Физика как наука того времени.              11

2.2.2 Совершенные открытия.              12-14

2.2.3 Физика арабского средневековья              14-16

2.3 Эпоха Возрождения (ХV – ХVI вв.).              16

2.3.1 Физика как наука того времени.              16-17

2.3.2 Совершенные открытия.              17-20

2.3.3 Эксперимент Галилео Галилея              20

2.3.4 Другой эксперимент Галилео Галилея              21

3 Период становления физики как науки. Физика И.Ньютона.              22

3.1 Физика как наука того времени.              22

3.2 Совершенные открытия.              22-29

3.3 Эксперимент Исаака Ньютон              29-30

3.4 Эксперимент Генри Кавендиша              30-32

Заключение.              33-34

Введение

Фи́зика (от др.-греч. φύσις «природа») — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.[1]

Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.

В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый отечественный учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком Страховым.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

1. Основные периоды и этапы в развитии физики.

Предыстория физики(от древнейших времен до ХVII в.)

      Эпоха античности (VI в. до н. э.– V в. н. э.).

      Средние века (VI – ХIV вв.).

      Эпоха Возрождения (ХV – ХVI вв.).

Период становления физики как науки.

      Начало ХVII в.– 80-е гг. ХVII в.

Переиод классической физики (конец XVII в.– начало ХХ в.)

      Первый этап (конец ХVII в. – 60-е гг. ХIХ в.).

      Второй этап (60-е гг. ХIХ в.– 1894 г.).

      Третий этап (1895 – 1904).

Период современной физики(с 1905) Первый этап (1905 – 1931).

      Второй этап (1932-1954).

      Третий этап (с 1955).

Период от древнейших времен до начала ХVII в. – это предыстория физики, период накопления физических знаний об отдельных явлениях природы, возникновения отдельных учений. В соответствии с этапами развития общества в нем выделяют эпоху античности, средние века, эпоху Возрождения.

Физика как наука берет начало от Г. Галилея – основоположника точного естествознания. Период от Г. Галилея до И. Ньютона представляет начальную фазу физики, период ее становления.

Последующий период начинается И. Ньютоном, заложившим основы той совокупности законов природы, которая дает возможность понять закономерности большого круга явлений. И. Ньютон построил первую физическую картину мира (механическую картину природы) как завершенную систему механики. Возведенная И. Ньютоном и его последователями, Л. Эйлером, Ж. Даламбером, Ж. Лагранжем, П. Лапласом и другими, грандиозная система классической физики просуществовала незыблемо два века и только в конце ХIХ в. начала рушиться под напором новых фактов, не укладывающихся в ее рамки. Правда, первый ощутимый удар по физике Ньютона нанесла еще в 60-х годах ХIХ в. теория электромагнитного поля Максвелла – вторая после ньютоновской механики великая физическая теория, дальнейшее развитие которой углубило ее противоречия с классической механикой и привело к революционным изменениям в физике. Поэтому период классической физики в принятой схеме делится на три этапа: от И. Ньютона до Дж. Максвелла (1687 – 1859), от Дж. Максвелла до В. Рентгена (1860 – 1894) и от В. Рентгена до А. Эйнштейна (1895 – 1904).

Первый этап проходит под знаком полного господства механики Ньютона, его механическая картина мира совершенствуется и уточняется, физика представляется уже целостной наукой. Второй этап начинается с создания в 1860 - 1865 гг. Дж. Максвеллом общей строгой теории электромагнитных процессов. Используя концепцию поля М. Фарадея, он дал точные пространственно-временные законы электромагнитных явлений в виде системы известных уравнений – уравнений Максвелла для электромагнитного поля. Теория Максвелла получила дальнейшее развитие в трудах Г. Герца и Х. Лоренца, в результате чего была создана электродинамическая картина мира.

Этап с 1895 по 1904 гг. является периодом революционных открытий и изменений в физике, когда последняя переживала процесс своего преобразования, обновления, периодом перехода к новой, современной физике, фундамент которой заложили специальная теория относительности и квантовая теория. Начало ее целесообразно отнести к 1905 г. – году создания А. Эйнштейном специальной теории относительности и превращения идеи кванта М. Планка в теорию квантов света, которые ярко продемонстрировали отход от классических представлений и понятий и положили начало созданию новой физической картины мира – квантово-релятивистской. При этом переход от классической физики к современной характеризовался не только возникновением новых идей, открытием новых неожиданных фактов и явлений, но и преобразованием ее духа в целом, возникновением нового способа физического мышления, глубоким изменением методологических принципов физики.

В периоде современной физики целесообразно выделить три этапа: первый этап (1905 – 1931), который характеризуется широким использованием идей релятивизма и квантов и завершается созданием и становлением квантовой механики – четвертой после И. Ньютона фундаментальной физической теории; второй этап – этап субатомной физики (1932 - 1954), когда физики проникли на новый уровень материи, в мир атомного ядра, и, наконец, третий этап – этап субъядерной физики и физики космоса, – отличительной особенностью которого является изучение явлений в новых пространственно-временных масштабах. При этом за начало отсчета условно можно взять 1955 г., когда физики начали исследовать структуру нуклона, что знаменовало проникновение в новую область пространственно-временных масштабов, на субъядерный уровень. Этот этап совпал во времени с развернувшейся научно-технической революцией, начало ему дали новый уровень производительных сил, новые условия развития человеческого общества.

Приведенная схема периодизации физики в какой-то степени является условной, однако дает возможность в сочетании с хронологией открытий и фактов более четко представить ход развития физики, ее точки роста, проследить генезис новых идей, возникновение новых направлений, эволюцию физических знаний.

Далее будет рассмотрено эволюция науки- физика, ее основные этапы, научные достижения в ней в период от Аристотеля до Ньютона(384 до н. э. — 1727 н.э.).

2 Предыстория физики(от древнейших времен до ХVII в.).

2.1 Эпоха античности (VI в. до н. э.– V в. н. э.).

2.1.1 Физика как наука того времени.

Физика древней Греции и эллинистического периода являлась составной частью философии и занималась философской интерпретацией природных явлений. Вследствие этого метод и содержание физики носили качественно иной характер, чем возникшая в результате научной революции 16 и 17 вв классическая физика. Начинающаяся математизация физической стороны явлений послужила импульсом к созданию точной научной дисциплины. Однако специфический физический метод, который мог привести к формированию физики как самостоятельной науки, в античный период ещё не сложился. Эксперименты носили спорадический характер и служили более для демонстрации, нежели для получения физических фактов. Тексты, относящиеся к физическим явлениям, в латинском и арабском переводах сохранились приблизительно с 5 века до н.э., большей частью в позднем переложении. Наиболее важные произведения из области физических знаний принадлежат Аристотелю, Теофрасту, Евклиду, Герону, Архимеду, Птолемею и Плинию Старшему.

2.1.2 Совершенные открытия.

VI в. до н. э.

– Первые наблюдения по акустике. Пифагор устанавливает связь между высотой тона и длиной струны или трубы.
– Первые сведения об электричестве и магнетизме. Открытие свойств натертого янтаря притягивать легкие предметы, а магнита – железные (Фалес Милетский).

V – VI в. до н. э.

– Возникновение идеи о прерывистом зернистом строении материи, установление предела делимости вещества – атома (Левкипп, Демокрит).
– Создание Платоном теории зрения.

IV в до н. э.

– Зарождение элементов механики. Рассмотрение прямолинейных и криволинейных механических движений. Установление правила сложения перемещений, перпендикулярных друг другу, правила равновесия рычага (Аристотель).
– Правильное представление о распространении звука в воздухе (звучащее тело вызывает сжатие и разрежение воздуха). Объяснение эха отражением звука от препятствий. Известно явление преломления света (Аристотель).

IV – III в. до н. э.

– Древним китайцам известна камера-обскура.

IV – II в. до н. э.

– Возникновение первой модели мироздания – геоцентрической системы мира (Эвдокс Книдский, Аристотель, Гиппарх).

III в до н. э.

– Возникновение идеи гелиоцентрической системы мира (Аристарх Самосский).
– Первые попытки определения расстояния до Луны и Солнца (Аристарх Самосский).
– Открытие закона прямолинейного распространения света и закона отражения. Возникновение геометрической оптики (Евклид).
– Архимед разработал научные основы статики, ввел понятие о центре тяжести и моменте сил относительно прямой и плоскости, определил центр тяжести треугольника, дал строгую теорию рычага, сформулировал правило сложения параллельных сил.
– Архимед открыл основной закон гидростатики (закон Архимеда), установил условия плавания тел.

II в. до н. э.

– Ктесибий построил водяные часы, ставшие прототипом часов, употреблявшихся во многих странах вплоть до XVIII в.

I – II в. н. э.

– Герон Александрийский дал детальное описание рычага, ворота, клина, винта и блока, установил правило для рычага и блока, согласно которому выигрыш в силе при помощи этих механизмов сопровождается потерей во времени, описал прибор, являющийся прообразом современной паровой турбины, – так называемый эолипил, сделал ряд технических изобретений.
– К. Птолемей экспериментально исследовал явление преломления света, ввел поправку на атмосферную рефракцию (учет преломления света), объяснил явление прецессии.
– К. Птолемей придал завершенную форму геоцентрической теории мироздания (система мира Птолемея).

2.1.3 Эксперимент Эратосфена Киренского

Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эрастофеном Киренским. Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет около 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров. Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.

2.1.4 Камера-обскура

Камера-обскура, схема                                Камера-обскура, общий вид

Ка́мера-обску́ра (лат. camera obscūra «тёмная комната») — простейший вид устройства, позволяющего получать оптическое изображение объектов. Представляет собой светонепроницаемый ящик с отверстием в одной из стенок и экраном (матовым стеклом или тонкой белой бумагой) на противоположной стенке.

Лучи света, проходя сквозь отверстие диаметром приблизительно 0,5–5 мм, создают перевёрнутое изображение на экране. На основе камеры-обскуры были сделаны некоторые фотокамеры.

Камера-обскура не обеспечивает высокой резкости изображения. До определенного предела резкость изображения может быть повышена путем уменьшения диаметра отверстия, но при слишком сильном уменьшении начинают сказываться эффекты дифракции и изображение становится ещё более расплывчатым. Обскура характеризуется бесконечно большой глубиной резко изображаемого пространства. Говорить о фокусном расстоянии обскуры можно только условно. Под эквивалентным фокусным расстоянием такой камеры обычно понимают расстояние от отверстия до экрана f. Соотношение f/D определяется как и в обьективе числом диафрагмы. Камера с f = 100 мм и диаметром отверстия D = 0,5 мм располагает числом диафрагмы равным 200. Увеличение отверстия до 1 мм уменьшает число до 100. Фактор выдержка[неизвестный термин] таким образом уменьшается до 25.

Первые камеры-обскуры представляли собой затемнённые помещения (или большие ящики) с отверстием в одной из стен. Упоминания о камере-обскуре встречаются ещё в IV веке до н. э. — последователи китайского философа Мо Ди — моисты — описали возникновение перевернутого изображения на стене затемнённой комнаты. Упоминания о камере-обскуре встречаются и у Аристотеля. Арабский физик и математик X века Ибн ал-Хайсам (Альхазен), изучая камеру-обскуру, сделал вывод о линейности распространения света.

Фрагмент пейзажа Яна Вермеера Дельфтского, созданного при помощи камеры-обскуры.

Судя по всему, первым использовал камеру-обскуру для зарисовок с натуры Леонардо да Винчи. Он также подробно описал её в своём «Трактате о живописи». В 1686 году Йоганнес Цан спроектировал портативную камеру-обскуру, оснащённую зеркалом, расположенным под углом 45° и проецировавшим изображение на матовую горизонтальную пластину, что позволило художникам переносить пейзажи на бумагу.

Многие художники (например Вермеер) использовали камеру-обскуру для создания своих произведений — пейзажей, портретов, бытовых зарисовок. Камеры-обскуры тех времён представляли собой большие ящики с системой зеркал для отклонения света. Часто вместо простого отверстия использовался объектив (обычно одиночная линза), что позволяло значительно увеличить яркость и резкость изображения. С развитием оптики объективы усложнялись, а после изобретения светочувствительных материалов камеры-обскуры стали фотоаппаратами.