Лекции 3 ЕНКМ. Развитие основных направлений физики в xix в. Естествознание в xix и xx веках

• Название: Развитие основных направлений физики в xix в. Естествознание в xix и xx веках
• Дата: 30.10.2021
• Размер: 120.51 Kb.
• Имя файла: Лекции 3 ЕНКМ.docx
• Тип: Закон; #259451
• страница: 1 из 3

1. 
   Развитие основных направлений физики в XIX в.
   
   1. 
      Естествознание в XIX и XX веках
      
   2. 
      Развитие волновой оптики в первой половине XIX столетия
      
   3. 
      Электромагнетизм
      
   4. 
      Возникновение и развитие термодинамики. Карно
      
   5. 
      Открытие закона сохранения и превращения энергии.
      
   6. 
      Создание лабораторий
      
   7. 
      Второе начало термодинамики
      
   8. 
      Механическая теория тепла и атомистика
      
   9. 
      Возникновение и развитие теории электромагнитного поля
      
2. 
   Основные направления научной революции в физике XX в.
   
   1. 
      Электродинамика движущихся сред и электронная теория
      
   2. 
      Теория относительности Эйнштейна
      
   3. 
      Критика механики Ньютона и геометрии Евклида
      
   4. 
      Дальнейшее развитие теории относительности
      
   5. 
      Макромир. Механическая картина мира. Представления о структуре и уровнях строения материи. Концепция о двух видах материи
      

Развитие основных направлений физики в XIX и XX веках в.
Наука – это неустанная многовековая работа мысли свести вместе посредством системы все познаваемые явления нашего мира.
Альберт Эйнштейн
Развитие естествознания в XIX и XX вв. сопровождалось окончательным разрывом веры и разума, развитием технических наук и формированием тандема разум – техника, обеспечившего быстрый прогресс западных цивилизаций.

Революционными открытиями становятся: принципы неевклидовой геометрии Гаусса, идея вычислительной машины Бэббиджа, концепция энтропии и второй закон термодинамики Клаузиуса, теория естественного отбора Дарвина и Уоллеса, теория генетической наследственности Менделя, трактат об электричестве и магнетизме Максвелла, открытие радиоактивности Беккерелем, теория сновидений Фрейда, основы квантовой физики Планка, общая теория относительности Эйнштейна, принцип неопределенности Гейзенберга, принцип дополнительности Бора, теория большого взрыва, кибернетика Винера, открытие структуры ДНК Уотсоном и Криком, запуск первого спутника Земли, первые космические полеты, постулирование существования кварков Гельманом и Цвейгом, теория самоорганизации И.Р. Пригожина, развитие экологического мышления («Пределы роста» Медоуза), появление персональных компьютеров, развитие биотехнологий, новых направлений химии, физики, медицины.

В целом важной закономерностью развития современного естествознания принято считать единство процессов дифференциации и интеграции научного знания. В настоящее время можно проследить в науке одновременно и процессы дифференциации и процессы интеграции с преобладанием последних, позволивших науке стать целостным системным образованием. Различные отрасли науки обладают относительной самостоятельностью:

– в организации исследований на стыке наук;

– в разработке междисциплинарных научных методов;

– в поиске объединительных теорий и принципов;

– в изменении самого принципа выделения научных дисциплин, что привело к появлению нового типа проблемных наук, по большей части комплексных, привлекающих для решения одной проблемы сразу несколько дисциплин.
10.1 Развитие механики в первой половине XIX столетия

Трудами Эйлера, Лагранжа и других математиков и механиков XVIII в. сформировалась та отрасль математического естествознания, которая получила название теоретической механики.

Гаспар Гюстав Кориолис (1792—1843) открыл ускорение, испытываемое движущимися телами во вращающейся системе, и соответствующую силу инерции. Это ускорение ныне известно под названием «кориолисово ускорение», а сила — под названием «сила Кориодиса» (1835).
10.2 Развитие волновой оптики в первой половине XIX столетия

Факты из истории оптики начала XIX столетия показывают, как трудно раскрыть закономерности развития науки, которое происходит не путем последовательной и плавной эволюции, а сплошь и рядом испытывает неожиданные скачки и повороты. Успехи ньютоновской механики XVIII в. оказали огромное влияние на все области физики, в том числе и на оптику. Несмотря на поддержку теории Гюйгенса Ломоносовым и защиту волновой теории света Эйлером, победа корпускулярной теории была бесспорной, а самый принцип Гюйгенса был забыт.

Что касается открытых еще в XVII в. явлений дифракции и интерференции, то ведущие ученые конца XVIII — начала XIX в. не сомневались в том, что они получат исчерпывающее объяснение в терминах корпускулярной теории. Не удивительно, что гениальные исследования Томаса Юнга (13 июня 1773-10 мая 1829г) по интерференции и дифракции света были встречены с недоверием и даже с насмешкой, поскольку в них эти явления объяснялись с точки зрения волновой теории. Вскоре эти исследования получили мощную поддержку в работах Френеля, и волновая теория, несмотря на оппозицию ведущих ученых и необычайные трудности, вызванные открытием поляризации, восторжествовала.

В дальнейшем Юнг занимался проблемами волновой оптики, сформулировав в 1800 г. принцип суперпозиции волн и объяснив интерференцию света. Самый термин «интерференция» был введен в науку Юнгом. Его основной труд «Лекции по натуральной философии» вышел в 1807 г. в двух томах.

Юнг был великолепным знатоком музыки, играл почти на всех музыкальных инструментах, прекрасно знал животных, был цирковым артистом — наездником и канатоходцем.

Юнгу было уже известно о существовании невидимых, инфракрасных лучей («тепловых»), открытых Вильямом Гершелем в 1800 г., и ультрафиолетовых («химических») лучей, открытых Иоганном Риттером и Волластоном в 1802 г

Успехи оптики первой половины XIX столетия не ограничились открытиями, описанными выше. Совершенствование экспериментальной техники позволило взяться за решение задачи, поставленной Галилеем: определить прямыми методами скорость света. Задача эта была решена в середине века почти одновременно двумя французскими физиками: Ипполитом Физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868). Физо разработал технически идею Галилея. Прерывание светового потока, идущего от источника света, он осуществил автоматически — вращением зубчатого колеса.

Физо провел свой опыт в 1849 г., получив для скорости света значение 313000км/с.

Гальвани. Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. В 1791 г. в «Трактате о силах электричества при мышечном движении» было описано сделанное Гальвани знаменитое открытие.

Вольта. Алессандро Вольта родился 18 февраля 1745 г. В 1800 г. он построил первый генератор электрического тока — вольтов столб. Это изобретение доставило ему всемирную славу. Он был избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. Но в науке Вольта после своего великого открытия уже не сделал ничего значительного. В 1819 г. он оставил профессуру и жил в своем родном городе Комо, где и умер 5 марта 1827 г. (в один день с Лапласом и в один год с Френелем).
10.3 Электромагнетизм

современный историк науки полностью согласен со словами Велланского: «Электромагнетизм открыт в Копенгагене профессором Ханс Кристиан Эрстедом (родился 14 августа 1777 г. Умер 9 марта 1851 г.), который открытием свое возвестил 1820 года».

Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 г.. Наибольший вклад в изучение электромагнетизма внес французский физик Ампер, назвавший новую область физики «электродинамикой», и это название прочно вошло в язык физики.

Фарадей. Михаил (английское произношение—Майкл) Фарадей (родился 22 сентября 1791 г. Умер он 25 августа 1867 г) в семье лондонского кузнеца. Недостаточность средств не позволила будущему великому ученому получить хорошее образование. В начальной школе он научился читать, писать, постиг начала арифметики, а затем поступил в учение к переплетчику. Здесь он восполнил недостатки образования чтением. Особенно его увлекло электричество и химия, и он сам начал проделывать опыты, описанные в книгах.

Всемирную славу фарадею принесли его электрические исследования. Фарадей вообще отказался от концепции действия на расстоянии и ввел в физику совершенно новый объект — физическое поле. Для Фарадея поле — это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. С Фарадеем в физику наряду с частицами вещества вошла и новая форма материи — поле, излучаемое и поглощаемое частицами и распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Математически эта идея была разработана гениальным преемником фарадея Джемсом Клерком Максвеллом.
10.4 Возникновение и развитие термодинамики. Карно

Если в XVIII в. в физике (за исключением механики) господствовал эксперимент, так что физику определяли как науку «о всем том, что через опыты познать можно», то в XIX в. картина начинает меняться. Экспериментальная физика продолжает господствовать над теоретической, Но уже волновая оптика Юнга и Френеля, электростатика и магнитостатика в руках Гаусса и Грина развивались по образцу ньютоновской теории тяготения, и ее основные результаты и поныне входят в курсы теоретической физики. Электродинамика Ампера позволяла надеяться, что аналогичная математическая теория будет разработана и для электромагнетизма. Но великие открытия Фарадея спутали все карты, и, хотя поиски обобщающего закона не прекращались, в электродинамике до Максвелла господствовал идейный разброд.

Труднее всего поддавались теоретической обработке тепловые явления. Здесь еще шло накопление эмпирических фактов, разрабатывались методы определения тепловых характеристик.

Теорию теплорода разделял и другой замечательный ученый, военный инженер Саади Никола Леонард Карно (1796-1832). В 1824 г. был издан его главный труд «Размышления о движущей силе огня». Через четыре года Карно вышел в отставку в чине капитана. Умер он 24 августа 1832 г. от холеры.

Сочинение Карно явилось началом термодинамики.

Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799— 1864), французский академик и инженер, был в 1820-1830 гг. профессором Петербургского института инженеров путей сообщения. В 1834 г. он дал общеупотребительную форму трактовки цикла Карно и объединенное уравнение газового состояния. Ему же принадлежит вывод зависимости точки плавления от давления (уравнение Клапейрона—Клаузиуса).

Работа Карно, изложенная Клапейроном и напечатанная в 1843 г. на немецком языке в «Анналах» Поггендорфа, послужила исходным пунктом для исследований В.Томсона и Р. Клаузиуса,
10.5 Открытие закона сохранения и превращения энергии.

XIX в. принес наглядные доказательства связи теплоты с механическим движением. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен. Сторонники теплоты усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением —трение способствует выжиманию теплорода из тела. Однако в 1798 г. Бенжамен Томпсон (1753-1814), ставший с 1790 г. графом Румфордом, сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.

Майер. Юлиус Роберт Майер родился 25 ноября 1814 г. в Гейльбронне в семье аптекаря. Он получил медицинское образование и отправился в качестве корабельного врача на о. Ява (до этого он несколько месяцев работал в клиниках Парижа). В течение годичного плавания (1840—1841) врач Майер пришел к своему великому открытию. –закона сохранения энергии
10.6 Создание лабораторий

Вторая половина XIX в. отмечается важными изменениями в организации подготовки физиков. В это время сначала в Европе, а затем в Америке создаются физические лаборатории. В некоторых из лабораторий зарождаются научные школы.

В прошлом физик работал в одиночку. Приборы обычно покупались на собственные деньги или изготовлялись самими учеными. Нередко лабораториями служили частные комнаты

В Германии до 40-х годов XIX столетия делалось существенное различие между учреждением для учебных целей и учреждением для научных исследований. Так, в протоколе Тайного Совета от 22 июля 1807 г. правительство разъясняет университету, что «изобретение в научной области является делом ученых, а не делом учителей, которые как таковые, подобно судье, должны принимать во внимание не составление законов, а выполнение данных законов».

Такое же положение было и в университетах России, где считалось, что главная задача преподавателя — читать лекции, а занятия наукой — вещь второстепенная и необязательная.

В американских колледжах и университетах обучение сводилось к чтению лекций и штудированию учебников, а «лекционные демонстрации скорее создавали внешний блестящий эффект и не служили своим истинным целям».

В середине XIX столетия бурное развитие промышленности, машиностроения, химической промышленности, металлургии и горного дела, электротехники, теплотехники, строительство железных дорог, возникновение пароходства и воздухоплавания — все это стимулировало развитие науки, новых форм ее организации. Все более усиливалась связь науки и техники.

К этому времени значительно усложнилась физическая теория и эксперимент. Новые задачи, стоящие перед физической наукой, требовали для своего решения все большего числа физиков.

Итак, в новых условиях необходимо было предусмотреть новые формы и темпы подготовки ученых. Старые образовательные учреждения были не в состоянии выполнить эту роль, перестройка их была необходима.

И с сороковых годов XIX столетия начинают создаваться физические лаборатории как новая форма организации коллективных методов исследования в физике.

Первая физическая лаборатория была создана в Геттингенском университете В. Вебером, который был приглашен туда в 1831 г. Гауссом.

В Кембридже обучение экспериментальному искусству начало проводиться с 1874 г. в здании знаменитой Кавендишской лаборатории. Она была выстроена на частные средства и сыграла огромную роль в развитии физики. Достаточно сказать, что ее руководителями были в разное время Максвелл, Рэлей, Дж. Дж. Томсон, Резерфорд.

Первая лаборатория в России создается при Петербургском университете Ф. Ф. Петрушевским (1828-1904) в 1865 г.
10.7 Второе начало термодинамики
Прогресс теплотехники не только стимулировал открытие закона сохранения и превращения энергии, но и двинул вперед теоретическое изучение тепловых явлений. Уточнялись основные понятия, создавалась аксиоматика теории теплоты, разрабатывались математические методы. Ведущую роль в основании теории тепловых явлений сыграли Р. Клаузиус, В. Томсон и другие ученые.

Рудольф Клаузиус (2 января 1822 г. - 24 августа 1888г) в г. Кёслине. По окончании университетского курса в Берлине он был преподавателем в Артиллерийской школе. С 1855 г. он стал профессором в Высшей политехнической школе в Цюрихе, а затем в Цюрихском университете. С 1869 г. он переехал в Бонн, где и умер.

в 1850 г. второго начала, который Клаузиус формулирует следующим образом:

«Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». без компенсации».

Вильям Томсон родился 26 июня 1824 г. в Белфасте в семье преподавателя математики.

Второе начало Томсон формулирует так:

«Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе ее в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части ее движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счет заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника».
10.8 Механическая теория тепла и атомистика

Термодинамика и кинетическая теория газов затрагивали самые глубокие вопросы мировоззрения. Единство сил природы, направленность естественных процессов, неизменность «кирпичей мироздания» —все эти вопросы так или иначе возникали из новых теорий и представлений. Рушилась концепция мира, разделенного непереходимыми перегородками на отдельные области. Одним из последних устоев этой концепции было представление о совершенных, «постоянных» газах, не переходящих ни в жидкое, ни в твердое состояние и поэтому существенно отличающихся от паров жидкостей.

Людвиг Больцман родился 20 февраля 1844 г. в Вене. Учился он в университетах Вены, Гейдельберга и Берлина. Еще студентом он публикует в Вене работы: «О движении электричества в кривых поверхностях» (1865) и «О механическом истолковании второго начала теории тепла» (1866). Этой второй работой начался длительный цикл работ Больцмана по выяснению связи между термодинамикой и механикой.

Фундаментальным вкладом Больцмана в физику является создание статистической механики и статистического обоснования второго начала.

Закон возрастания энтропии у Больцмана получает простую интерпретацию:

«Система стремится к наиболее вероятному состоянию».

Второе начало потеряло характер абсолютного закона природы и стало статистическим законом. В природе возможны процессы, происходящие в направлении убывания энтропии, и это, по мнению Больцмана, избавляет Вселенную от тепловой смерти. Для космоса в целом тепловой смерти нет. Взгляды и выводы Больцмана подвергались ожесточенной критике.
11. Основные направления научной революции в физике XX в.