Период становления физики как науки. Физика И.Ньютона

ХVI в. (конец)

– Изобретение зрительной трубы голландскими мастерами (ее появление связывают с именем Захария Янсена, 1590). Быстрое распространение коротких зрительных труб, состоящих из выпуклой и вогнутой линз, началось примерно в 1608.

1590

– Появилась итальянская модель микроскопа. В 1604 микроскоп построил Захария Янсен. В 1610 – 14 микроскопы конструирует Г. Галилей.

1592

– Г. Галилей изобрел термоскоп, являющийся прообразом термометра (впервые описан в 1620 Ф. Бэконом).

2.3.3 Эксперимент Галилео Галилея

В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это. Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту.

Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения. Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова.

Результаты, полученные Галилеем. — следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально массе.

2.3.4 Другой эксперимент Галилео Галилея

Галилей замерял расстояние, которое шары, катящиеся по наклонной доске, преодолевали за равные промежутки времени, измеренный автором опыта по водяным часам.

Ученый выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше. Эта квадратичная зависимость означала, что шары под действием силы тяжести движутся ускоренно, что противоречило принимаемому на веру в течение 2000 лет утверждению Аристотеля о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, тогда как если сила не приложена к телу, то оно покоится. Результаты этого эксперимента Галилея, как и результаты его эксперимента с Пизанской башней, в дальнейшем послужили основой для формулирования законов классической механики.

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

3.1 Физика как наука того времени.

Физика как наука берет начало от Г. Галилея, который выдвинул в первой половине XVII в. идею об относительности движения, установил законы инерции и свободного падения и др., активно защищал гелиоцентрическую систему мира. Основным достижением физики XVII в. признано создание классической механики, связанное с формулировкой основных законов этой науки И. Ньютоном в 1687 г. Фундаментальное значение имело введение Ньютоном понятия состояния, которое стало одним из основных для всех физических теорий. Состояния систем тел в механике полностью определяются координатами и импульсами тел системы. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером, Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, с помощью которого удалось с достаточной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет, объяснить приливы в океане. Им были впервые четко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от ее свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Ньютон построил механистическую картину природы как завершенную систему механики. Важное достижение этого времени - понимание идентичности физических законов для всей Вселенной.

3.2 Совершенные открытия.

1600

– Вышел в свет трактат У. Гильберта “О магните, магнитных телах и о большом магните Земли”, в котором заложены основы электро- и магнитостатики.

1603

– Открытие фосфоресценции (В. Каскариоло).

1604

– Вышел в свет трактат И. Кеплера по оптике “Дополнения к Вителлию”, где помещены его теория зрения теория камеры-обскуры, сформулирован один из основных законов фотометрии – закон обратной пропорциональности между освещенностью и квадратом расстояния до источника света, введено понятие фокуса и дана формула линзы.

1604 – 09

– Г. Галилей установил законы тела, брошенного под углом к горизонту, и показал, что движение тел по наклонной плоскости является равноускоренным.

1604

– К. Дреббель выполнил опыт над расширением тел от теплоты.

1607

– Г. Галилей осуществил опыт по измерению скорости света.

1609

– Вышел в свет труд И. Кеплера “Новая астрономия”, где помещены первые два закона движения планет и высказана мысль, что тяжесть – свойство, присущее всем небесным телам.
– Г. Галилей сконструировал зрительную трубу (труба с вогнутым окуляром) и использовал ее как телескоп для астрономических наблюдений (возникновение оптической астрономии). В 1608 такую же трубу изобрел Х. Липперсгей.
– Изобретен термостат.

1611

– Вышел в свет труд И. Кеплера “Диоптрика”, в котором дана теория зрительной трубы, в частности конструкция трубы с выпуклым окуляром, которую теперь называют кеплеровой. В этом труде и в предыдущем (“Дополнения к Вителлию”) изложена элементарная геометрическая оптика.

1619

– Вышел в свет трактат И. Кеплера “Гармония мира”, содержащий третий закон движения планет.

1620

– Опубликован трактат Ф. Бэкона “Новый органон”, в котором впервые высказана идея, что тепло есть движение. В дальнейшем кинетические воззрения на теплоту развивали Р. Бойль, который продемонстрировал в 1675 превращение упорядоченного движения в беспорядочное тепловое, Р. Гук, Иоганн и Даниил Бернулли и др.

ок. 1621

– В. Снеллиус экспериментально открыл закон преломления света.

1628

– Б. Кастелли установил закон обратной пропорциональности скорости течения жидкости в трубах площади поперечного сечения.

1631

– Ж. Рей изобрел жидкостный термометр.

1632

– Вышел в свет труд Г. Галилея “Диалог о двух основных системах мира – птолемеевой и коперниковой”, где, в частности, содержались принцип инерции и принцип относительности.

1635

– Н. Аджиунти устанавливает на опыте, что вода при замерзании не сжимается, а расширяется. В 1667 это также показывает Х. Гюйгенс. Предположение об этом высказал еще Г. Галилей.

1637

– Вышел в свет труд Р. Декарта “Диоптрика”, где излагается идея эфира как переносчика света, дается теоретическое доказательство закона преломления, высказанное им еще в 1630, а также теория радуги

1638

– Вышел в свет труд Г. Галилея “Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых областей науки...”, в котором, в частности, содержатся законы свободного падения (пропорциональность скорости падающего тела времени падения и пройденного пути квадрату времени), закон сложения перемещений, учение о сопротивлении материалов.

1641

– О. Герике изобрел воздушный насос.
– П. Гассенди осуществил опыт, подтверждающий принцип относительности Галилея.
– Создан спиртовой термометр. В 1646 спиртовой термометр продемонстрировал Э. Торричелли.
– Опубликован труд Э. Торричелли “О движении свободно падающих и брошенных тел”, где даны закон равновесия тела на наклонной плоскости и принцип о движении центров тяжести, рассмотрено движение тела под углом к горизонту и определен параболический характер его траектории, установлены другие теоремы баллистики.
– Э. Торричелли вывел формулу для скорости истечения жидкости из отверстия в открытом сосуде (формула Торричелли).

1643

– Открытие атмосферного давления (Э. Торричелли). Первый барометрический опыт, доказывающий существование атмосферного давления, выполнил В. Вивиани по указанию Торричелли, объяснен Торричелли в 1644.

1644

– Получение вакуума (“торричеллиевой пустоты) и создание барометра (Э. Торричелли). Термин “барометр” ввел в 1662 – 63 Р. Бойль.
– Вышел в свет труд Р. Декарта “Начала философию”, в котором впервые четко сформулирован закон инерции, дана теория магнетизма и изложена первая космогоническая гипотеза. Здесь же помещен и его закон сохранения количества движения (скорость у Декарта была скалярной величиной). Впервые этот закон Декарт высказал в 1639.

1648

– Открытие дисперсии света (Я. Марци).
– Экспериментально обнаружено уменьшение атмосферного давления с высотой (Ф. Перье по идее Б. Паскаля).

1653

– Установление Б. Паскалем закона распределения давления в жидкости (закон Паскаля), опубликован в 1663 в трактате “0 равновесии жидкостей”.

1654

– О. Герике выполнил демонстрационный опыт с "магдебургскими полушариями”, доказывающий существование атмосферного давления.

1655

– Изобретение ртутного термометра.

1657

– Х. Гюйгенс сконструировал маятниковые часы со спусковым механизмом, ставшие основой точной экспериментальной техники (проект использования маятника в часах предлагал в 1636 Г. Галилей).

1660

– Р. Гук открыл закон упругости твердых тел (закон Гука). Опубликован в 1676.

– Р. Бойль и Р. Гук усовершенствовал воздушный насос Герике (насос Бойля).

1661

– Р. Бойль и Р. Тоунли установили обратно пропорциональную зависимость между объемом газа и его давлением, к которой в 1676 пришел также Э. Мариотт (закон Бойля – Мариотта).
– Р. Бойль в труде “Химик-скептик” сформулировал понятие химического элемента как простейшей составной части тела.

1662

– П. Ферма сформулировал основной принцип геометрической оптики (принцип Ферма).

1663

– Э. Сомерсет изобрел паровую машину (построена в 1667 в Лондоне и поднимала воду на высоту 40 футов). В 1705 паро-атмосферную водоподъемную машину создал Т. Ньюкомен.

1665

– Опубликован труд Ф. Гримальди “Физико-математический трактат о свете, цветах и радуге”, в котором содержалось открытие явления дифракции света.
– Вышел в свет трактат Р. Гука “Микрография”, в котором описаны его микроскопические наблюдения, явление дифракции, цвета тонких пленок, содержится гипотеза о свете как поперечных волнах.

1665 – 66

– И. Ньютон вывел обратно пропорциональную зависимость силы тяготения квадрату расстояния между притягивающимися телами.

1665

– Х. Гюйгенс и Р. Гук предложили как основные точки термометра точки плавления льда и кипения воды. В 1694 это сделал также К. Ренальдини.

1666

– Переоткрытие И. Ньютоном явления разложения белого света в спектр (дисперсия света) и открытие хроматической аберрации, построение корпускулярной теории света. Свою “Новую теорию света и цветов” Ньютон доложил в 1672 а затем в 1675, на основе этих сообщений появилась в 1704 его “Оптика”.

1668

– И. Ньютон сконструировал зеркальный телескоп-рефлектор (проект его предложил в 1663 Дж. Грегори).
– Р. Гук показал, что для всех тел точки кипения и плавления постоянны.

1669

– Э. Бартолин открыл двойное лучепреломление света в кристаллах исландского шпата.
– Открытие хемилюминесценции фосфора (Г. Брандт).
– В мемуаре "О движении тел под влиянием удара" Х. Гюйгенс дал теорию центрального удара упругих тел, установил закон сохранения количества движения (mv) и закон “живых сил” (mv2). Понятие “живой силы” (кинетической энергии) как меры механического движения ввел в 1686 Г. Лейбниц установив также закон сохранения “живых сил”.

1673

– Вышел в свет труд Х. Гюйгенса “Маятниковые часы”, в котором приведены теория физического маятника, понятие момента инерции и законы центробежной силы.

1674

– Открытие Д. Папином зависимости точки кипения воды от давления (при более низком давлении вода закипает при температуре, ниже чем 100 С).

1676

– О. Рёмер в результате наблюдений спутников Юпитера сделал вывод о конечности скорости распространения света и по данным наблюдений впервые определил ее величину – 214000 км/с (до этого Дж. Порта, И. Кеплер, Р. Декарт и др. считали скорость света бесконечной).

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.