Физика начало – основные понятия, формулы, законы. Основные законы физики, которые должен знать человек

Содержание

НАЧАЛА ФИЗИКИ

    • Предисловие
    • Введение. Методические рекомендации по пешению задач
    • ГЛАВА 1. Элементы векторной алгебры. метод координат в механике
    • ГЛАВА 2. Движение. путь, перемещение, скорость. движение с постоянной скоростью
    • ГЛАВА 3. Относительность движения. закон сложения скоростей
    • ГЛАВА 4. Ускорение. равноускоренное прямолинейное движение
    • ГЛАВА 5. Движение под углом к горизонту
    • ГЛАВА 6. Графическое описание движения
    • ГЛАВА 7. Законы ньютона. силы тяжести, реакции, натяжения
    • ГЛАВА 8. Сила упругости. сила трения
    • ГЛАВА 9. Закон сохранения импульса
    • ГЛАВА 10. Работа, мощность, энергия. Теорема об изменении кинетической энергии
    • ГЛАВА 11. Потенциальная энергия. Закон сохранения и изменения механической энергии
    • ГЛАВА 12. Вращательное движение. Кинематика и динамика
    • ГЛАВА 13. Закон всемирного тяготения
    • ГЛАВА 14. Механические колебания
    • ГЛАВА 15. Гидростатика
    • ГЛАВА 16. Статика
    • ГЛАВА 17. Основные принципы молекулярно-кинетической теории
    • ГЛАВА 18. Газовые законы
    • ГЛАВА 19. Графическое описание тепловых процессов
    • ГЛАВА 20. Внутренняя энергия газа. Превращения энергии в тепловых процессах. Первый закон термодинамики
    • ГЛАВА 21. Работа газа в циклическом процессе. Основные принципы работы тепловых двигателей. Второй закон термодинамики
    • ГЛАВА 22. Уравнение теплового баланса. Фазовые переходы. Влажность
    • ГЛАВА 23. Взаимодействие электрических зарядов. Закон кулона. принцип суперпозиции
    • ГЛАВА 24. Напряженность и потенциал электрического поля. Силовые линии электрического поля
    • ГЛАВА 25. Проводники и диэлектрики в электрическом поле
    • ГЛАВА 26. Конденсаторы
    • ГЛАВА 27. Электрический ток. Закон ома для однородного участка цепи и для замкнутой цепи. Закон Джоуля-Ленца
    • ГЛАВА 28. Магнитные взаимодействия. Магнитная индукция. Силы Лоренца и Ампера
    • ГЛАВА 29. Закон электромагнитной индукции. Самоиндукция
    • ГЛАВА 30. Электромагнитные колебания и волны. Колебательный контур
    • ГЛАВА 31. Электромагнитные волны. Радиоволны, свет, рентгеновские лучи. Шкала электромагнитных волн
    • ГЛАВА 32. Волновая оптика. Интерференция и дифракция
    • ГЛАВА 33. Световые лучи. Геометрическая оптика. Законы распространения, отражения и преломления света
    • ГЛАВА 34. Тонкая линза. Построение изображений точечных предметов в линзе. Формула тонкой линзы
    • ГЛАВА 35. Квантовая оптика. Фотоэлектрический эффект
    • ГЛАВА 36. Атомная и ядерная физика
    • ГЛАВА 37. Ядерная энергия. Ядерное оружие. Ядерная энергетика
    • Послесловие
    • Ответы
    • Литература

online.mephi.ru

основные понятия, формулы, законы. Основные законы физики, которые должен знать человек

Интересоваться окружающим миром и закономерностями его функционирования и развития природно и правильно. Именно поэтому разумно обращать свое внимание на естественные науки, например, физику, которая объясняет саму сущность формирования и развития Вселенной. Основные физические законы несложно понять. Уже в очень юном возрасте школа знакомит детей с этими принципами.

Для многих начинается эта наука с учебника "Физика (7 класс)". Основные понятия и законы механики и термодинамики открываются перед школьниками, они знакомятся с ядром главных физических закономерностей. Но должно ли знание ограничиваться школьной скамьей? Какие физические законы должен знать каждый человек? Об этом и пойдет речь далее в статье.

Наука физика

Многие нюансы описываемой науки знакомы всем с раннего детства. А связано это с тем, что, в сущности, физика представляет собой одну из областей естествознания. Она повествует о законах природы, действие которых оказывает влияние на жизнь каждого, а во многом даже обеспечивает ее, об особенностях материи, ее структуре и закономерностях движения.

Термин «физика» был впервые зафиксирован Аристотелем еще в четвертом веке до нашей эры. Изначально он являлся синонимом понятия "философия". Ведь обе науки имели единую цель - правильным образом объяснить все механизмы функционирования Вселенной. Но уже в шестнадцатом веке вследствие научной революции физика стала самостоятельной.

Общий закон

Некоторые основные законы физики применяются в разнообразных отраслях науки. Кроме них существуют такие, которые принято считать общими для всей природы. Речь идет о законе сохранения и превращения энергии.

Он подразумевает, что энергия каждой замкнутой системы при протекании в ней любых явлений непременно сохраняется. Тем не менее она способна трансформироваться в другую форму и эффективно менять свое количественное содержание в различных частях названной системы. В то же время в незамкнутой системе энергия уменьшается при условии увеличения энергии любых тел и полей, которые вступают во взаимодействие с ней.

Помимо приведенного общего принципа, содержит физика основные понятия, формулы, законы, которые необходимы для толкования процессов, происходящих в окружающем мире. Их исследование может стать невероятно увлекательным занятием. Поэтому в этой статье будут рассмотрены основные законы физики кратко, а чтобы разобраться в них глубже, важно уделить им полноценное внимание.

Механика

Открывают юным ученым многие основные законы физики 7-9 классы школы, где более полно изучается такая отрасль науки, как механика. Ее базовые принципы описаны ниже.

  1. Закон относительности Галилея (также его называют механической закономерностью относительности, или базисом классической механики). Суть принципа заключается в том, что в аналогичных условиях механические процессы в любых инерциальных системах отсчета проходят совершенно идентично.
  2. Закон Гука. Его суть в том, что чем большим является воздействие на упругое тело (пружину, стержень, консоль, балку) со стороны, тем большей оказывается его деформация.

Законы Ньютона (представляют собой базис классической механики):

  1. Принцип инерции сообщает, что любое тело способно состоять в покое или двигаться равномерно и прямолинейно только в том случае, если никакие другие тела никаким образом на него не воздействуют, либо же если они каким-либо образом компенсируют действие друг друга. Чтобы изменить скорость движения, на тело необходимо воздействовать с какой-либо силой, и, конечно, результат воздействия одинаковой силы на разные по величине тела будет тоже различаться.
  2. Главная закономерность динамики утверждает, что чем больше равнодействующая сил, которые в текущий момент воздействуют на данное тело, тем больше полученное им ускорение. И, соответственно, чем больше масса тела, тем этот показатель меньше.
  3. Третий закон Ньютона сообщает, что любые два тела всегда взаимодействуют друг с другом по идентичной схеме: их силы имеют одну природу, являются эквивалентными по величине и обязательно имеют противоположное направление вдоль прямой, которая соединяет эти тела.
  4. Принцип относительности утверждает, что все явления, протекающие при одних и тех же условиях в инерциальных системах отсчета, проходят абсолютно идентичным образом.

Термодинамика

Школьный учебник, открывающий ученикам основные законы ("Физика. 7 класс"), знакомит их и с основами термодинамики. Ее принципы мы коротко рассмотрим далее.

Законы термодинамики, являющиеся базовыми в данной отрасли науки, имеют общий характер и не связаны с деталями строения конкретного вещества на уровне атомов. Кстати, эти принципы важны не только для физики, но и для химии, биологии, аэрокосмической техники и т. д.

Например, в названной отрасли существует не поддающееся логическому определению правило, что в замкнутой системе, внешние условия для которой неизменны, со временем устанавливается равновесное состояние. И процессы, продолжающиеся в ней, неизменно компенсируют друг друга.

Еще одно правило термодинамики подтверждает стремление системы, которая состоит из колоссального числа частиц, характеризующихся хаотическим движением, к самостоятельному переходу из менее вероятных для системы состояний в более вероятные.

А закон Гей-Люссака (его также называют газовым законом) утверждает, что для газа определенной массы в условиях стабильного давления результат деления его объема на абсолютную температуру непременно становится величиной постоянной.

Еще одно важное правило этой отрасли - первый закон термодинамики, который также принято называть принципом сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Согласно ему, любое количество теплоты, которое было сообщено системе, будет израсходовано исключительно на метаморфозу ее внутренней энергии и совершение ею работы по отношению к любым действующим внешним силам. Именно эта закономерность и стала базисом для формирования схемы работы тепловых машин.

Другая газовая закономерность - это закон Шарля. Он гласит, что чем больше давление определенной массы идеального газа в условиях сохранения постоянного объема, тем больше его температура.

Электричество

Открывает юным ученым интересные основные законы физики 10 класс школы. В это время изучаются главные принципы природы и закономерности действия электрического тока, а также другие нюансы.

Закон Ампера, например, утверждает, что проводники, соединенные параллельно, по которым течет ток в одинаковом направлении, неизбежно притягиваются, а в случае противоположного направления тока, соответственно, отталкиваются. Порой такое же название используют для физического закона, который определяет силу, действующую в существующем магнитном поле на небольшой участок проводника, в данный момент проводящего ток. Ее так и называют – сила Ампера. Это открытие было сделано ученым в первой половине девятнадцатого века (а именно в 1820 г.).

Закон сохранения заряда является одним из базовых принципов природы. Он гласит, что алгебраическая сумма всех электрических зарядов, возникающих в любой электрически изолированной системе, всегда сохраняется (становится постоянной). Несмотря на это, названный принцип не исключает и возникновения в таких системах новых заряженных частиц в результате протекания некоторых процессов. Тем не менее общий электрический заряд всех новообразованных частиц непременно должен равняться нулю.

Закон Кулона является одним из основных в электростатике. Он выражает принцип силы взаимодействия между неподвижными точечными зарядами и поясняет количественное исчисление расстояния между ними. Закон Кулона позволяет обосновать базовые принципы электродинамики экспериментальным образом. Он гласит, что неподвижные точечные заряды непременно взаимодействуют между собой с силой, которая тем выше, чем больше произведение их величин и, соответственно, тем меньше, чем меньше квадрат расстояния между рассматриваемыми зарядами и диэлектрическая проницаемость среды, в которой и происходит описываемое взаимодействие.

Закон Ома является одним из базовых принципов электричества. Он гласит, что чем больше сила постоянного электрического тока, действующего на определенном участке цепи, тем больше напряжение на ее концах.

"Правилом правой руки" называют принцип, который позволяет определить направление в проводнике тока, движущегося в условиях воздействия магнитного поля определенным образом. Для этого необходимо расположить кисть правой руки так, чтобы линии магнитной индукции образно касались раскрытой ладони, а большой палец вытянуть по направлению движения проводника. В таком случае остальные четыре выпрямленных пальца определят направление движения индукционного тока.

Также этот принцип помогает выяснить точное расположение линий магнитной индукции прямолинейного проводника, проводящего ток в данный момент. Это происходит так: поместите большой палец правой руки таким образом, чтобы он указывал направление тока, а остальными четырьмя пальцами образно обхватите проводник. Расположение этих пальцев и продемонстрирует точное направление линий магнитной индукции.

Принцип электромагнитной индукции представляет собой закономерность, которая объясняет процесс работы трансформаторов, генераторов, электродвигателей. Данный закон состоит в следующем: в замкнутом контуре генерируемая электродвижущая сила индукции тем больше, чем больше скорость изменения магнитного потока.

Оптика

Отрасль "Оптика" также отражает часть школьной программы (основные законы физики: 7-9 классы). Поэтому эти принципы не так сложны для понимания, как может показаться на первый взгляд. Их изучение приносит с собой не просто дополнительные знания, но лучшее понимание окружающей действительности. Основные законы физики, которые можно отнести к области изучения оптики, следующие:

  1. Принцип Гюйнеса. Он представляет собой метод, который позволяет эффективно определить в каждую конкретную долю секунды точное положение фронта волны. Суть его состоит в следующем: все точки, которые оказываются на пути у фронта волны в определенную долю секунды, в сущности, сами по себе становятся источниками сферических волн (вторичных), в то время как размещение фронта волны в ту же долю секунду является идентичным поверхности, которая огибает все сферические волны (вторичные). Данный принцип используется с целью объяснения существующих законов, связанных с преломлением света и его отражением.
  2. Принцип Гюйгенса-Френеля отражает эффективный метод разрешения вопросов, связанных с распространением волн. Он помогать объяснить элементарные задачи, связанные с дифракцией света.
  3. Закон отражения волн. Применяется в равной степени и для отражения в зеркале. Его суть состоит в том, что как ниспадающий луч, так и тот, который был отражен, а также перпендикуляр, построенный из точки падения луча, располагаются в единой плоскости. Важно также помнить, что при этом угол, под которым падает луч, всегда абсолютно равен углу преломления.
  4. Принцип преломления света. Это изменение траектории движения электромагнитной волны (света) в момент движения из одной однородной среды в другую, которая значительно отличается от первой по ряду показателей преломления. Скорость распространения света в них различна.
  5. Закон прямолинейного распространения света. По своей сути он является законом, относящимся к области геометрической оптики, и заключается в следующем: в любой однородной среде (вне зависимости от ее природы) свет распространяется строго прямолинейно, по кратчайшему расстоянию. Данный закон просто и доступно объясняет образование тени.

Атомная и ядерная физика

Основные законы квантовой физики, а также основы атомной и ядерной физики изучаются в старших классах средней школы и высших учебных заведениях.

Так, постулаты Бора представляют собой ряд базовых гипотез, которые стали основой теории. Ее суть состоит в том, что любая атомная система может оставаться устойчивой исключительно в стационарных состояниях. Любое излучение или поглощение энергии атомом непременно происходит с использованием принципа, суть которого следующая: излучение, связанное с транспортацией, становится монохроматическим.

Эти постулаты относятся к стандартной школьной программе, изучающей основные законы физики (11 класс). Их знание является обязательным для выпускника.

Основные законы физики, которые должен знать человек

Некоторые физические принципы, хоть и относятся к одной из отраслей данной науки, тем не менее носят общий характер и должны быть известны всем. Перечислим основные законы физики, которые должен знать человек:

  • Закон Архимеда (относится к областям гидро-, а также аэростатики). Он подразумевает, что на любое тело, которое было погружено в газообразное вещество или в жидкость, действует своего рода выталкивающая сила, которая непременно направлена вертикально вверх. Эта сила всегда численно равна весу вытесненной телом жидкости или газа.
  • Другая формулировка этого закона следующая: тело, погруженное в газ или жидкость, непременно теряет в весе столько же, сколько составила масса жидкости или газа, в который оно было погружено. Этот закон и стал базовым постулатом теории плавания тел.
  • Закон всемирного тяготения (открыт Ньютоном). Его суть состоит в том, что абсолютно все тела неизбежно притягиваются друг к другу с силой, которая тем больше, чем больше произведение масс данных тел и, соответственно, тем меньше, чем меньше квадрат расстояния между ними.

Это и есть 3 основных закона физики, которые должен знать каждый, желающий разобраться в механизме функционирования окружающего мира и особенностях протекания процессов, происходящих в нем. Понять принцип их действия достаточно просто.

Ценность подобных знаний

Основные законы физики обязаны быть в багаже знаний человека, независимо от его возраста и рода деятельности. Они отражают механизм существования всей сегодняшней действительности, и, в сущности, являются единственной константой в непрерывно изменяющемся мире.

Основные законы, понятия физики открывают новые возможности для изучения окружающего мира. Их знание помогает понимать механизм существования Вселенной и движения всех космических тел. Оно превращает нас не в просто соглядатаев ежедневных событий и процессов, а позволяет осознавать их. Когда человек ясно понимает основные законы физики, то есть все происходящие вокруг него процессы, он получает возможность управлять ими наиболее эффективным образом, совершая открытия и делая тем самым свою жизнь более комфортной.

Итоги

Некоторые вынуждены углубленно изучать основные законы физики для ЕГЭ, другие - по роду деятельности, а некоторые - из научного любопытства. Независимо от целей изучения данной науки, пользу полученных знаний трудно переоценить. Нет ничего более удовлетворяющего, чем понимание основных механизмов и закономерностей существования окружающего мира.

Не оставайтесь равнодушными - развивайтесь!

fb.ru

Когда возникла физика?

Физика (греч. от physis — природа) — наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира [1, с. 1326].

Физика — одна из основных областей естествознания — наука о свойствах и строении мира, о формах ее движения и изменения, об общих закономерностях явлений природы [3, с. 882].

Основоположниками физики являются такие великие ученые как: Галио Галилей — итальянский физик, астроном, философ, математик, Блез Паскаль — французский математик, физик, религиозный философ, Исаак Ньютон — английский математик, астроном, физик. Ньютона принято считать основоположником физики.

От ранних цивилизаций, возникших на берегах Тигра, Евфрата и Нила, не осталось никаких свидетельств в области физических знаний, на тот момент не было системы физических знаний, а существовали только определенные описания и факты, не подтвержденные теоретическими обобщениями и выводами. Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание физики сохранялось до конца 17 века.

Аристотель в IV веке до нашей эры впервые употребил слово «фюзис», что означает природа. Он также употребил слова «материя» и «форма».

Так, с какого же периода истории возникла физика, которую еще нельзя было назвать наукой?

На наш взгляд наблюдение над природой началось в глубокой древности, когда у человека появилась необходимость прокормить себя и своих близких, но человек еще не перешел к земледелию и к скотоводству, а пользовался плодами леса и охотой на диких животных.

Попробуем представить абстрактную картину. Случайно в буреломе, где хаотично повалены деревья, одно из них оказалось на другом так, что корневая система, «выдранного» дерева лежала на земле, ствол его, опираясь на другое дерево, свободно свисал. Древний человек случайно вступил на ствол довольно далеко от точки опоры, своим весом приподнял всю корневую систему дерева весом, гораздо большим, чем вес самого человека.

Человек ничего не понял, но заметил эту особенность, которую и стал применять при необходимости. Так, появился рычаг. Произошло это задолго до исследований Архимеда (287 год до нашей эры). Человек, как мы полагаем, заметил и несколько рассчитал соотношение плеч рычага и действующих на него сил.

Архимед же привел в систему весь накопленный опыт. Согласно преданию Архимед произнес известную всем фразу: «Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю»!

Конечно, он имел в виду применение рычага.

Вклад Архимеда в математику и физику, безусловно, велик. Архимед является основоположником теоретической механики и гидростатики. Он разработал методы нахождения площадей, поверхностей и объемов различных фигур и тел.

В основополагающих трудах по статике и гидростатике (закон Архимеда) Архимед дал образцы применения математики в естествознании и технике. Ему принадлежит множество технических изобретений: архимедов винт, определение состава сплавов взвешиванием в воде, системы для поднятия больших тяжестей, военные метательные машины.

В физике Архимед ввел понятие «центр тяжести». Он установил научные принципы статики и гидростатики, дал образцы применения математических методов в физических исследованиях. Основные положения статики сформулированы в сочинении «О равновесии плоских фигур». Архимед делает вывод о законе рычага. Знаменитый закон гидростатики, вошедший в науку с именем Архимеда (Архимеда закон), сформулирован в трактате «О плавающих телах» [2, с.87].

Появление паруса, как мы считаем, также произошло случайно. Древние люди вновь при помощи наблюдений приобрели опыт. Как мы думаем, человек заметил, что если встать и плыть на бревне с помощью примитивного весла, и при этом дует попутный ветер, то бревно начинает двигаться довольно быстро. Возможно, человек заметил, что плывущий по воде ствол дерева с торчащими ветвями движется быстрее, чем без веток. Позднее человек сознательно соорудил из веток с листьями или из звериной шкуры подобие паруса. Так, появился первый примитивный парус.

Много столетий спустя, в результате накопленного человечеством опыта, появились парусные корабли, которые уже были способны плыть и против ветра. И среди них барк, самый современный парусник. В основе этого явления лежит сложение действующих сил.

Другим величайшим изобретением древности является колесо. Мы полагаем, что это, скорее всего коллективное изобретение, так как один человек не мог придумать колесо, затем посадить его на ось, закрепить на ней платформу и получить, таким образом, телегу. Как мы считаем, древние люди заметили, что если взять толстое бревно, то его легче перемещать по земле, если под бревно подкладывать круглые обрубки дерева. В результате размышлений человека, даже не группы людей, а целых поколений, получилось колесо.

Изобретение колеса дало колоссальный толчок в развитии современной цивилизации.

Здесь хотелось бы упомянуть о цивилизации древних инков. Инки — это индейское племя, которое проживало на землях таких современных стран, как Перу, Эквадор, Боливия и другие. Древние инки не знали и не применяли колесо из-за рельефа земель, которые они занимали. Перу — страна горная, и инками не был замечен тот факт, что пресловутое бревно, можно перемещать качками.

Так, мы полагаем, что физика зародилась на основе сбора наблюдений, опыта, информации. Когда же такой информации накопилось достаточно много, величайшие ученые древности систематизировали накопленные знания, создав фундаментальную теорию механики.

Наше небольшое размышление о том, когда зародилась физика, хотелось бы закончить стихотворением:

Читай, внимай и понимай,

Почаще думай, мысли, познавай,

Ты в жанры разные «влетай»

И книги полностью «глотай»,

Но ничего не упускай!

Учти, что всяк разумный человек

Читает книги разных лет.

Он в них живет, поет и пляшет,

Он знания все там берет

И все дословно узнает,

Внимает, мыслит, познает,

Вернувшись в мир,

Он всем расскажет,

Что дарят чудны пейзажи,

Картин из тех чудеснейших долин,

Где жизнь он мысленно прожил

И мир с других сторон открыл.

За что всю жизнь благодарил

Литературный дивный свет,

Пролитый с древних лет на мир [4].

 

Литература:

 

1.      Большой энциклопедический словарь, гл. ред. Прохоров А. М. — М.: Большая Российская энциклопедия, 2002. — 1456 с.

2.      Житомирский С. В. Ученый из Сиракуз: Архимед. Историческая повесть. — М.: Молодая гвардия, 1982. — 191 с.

3.      Ожегов С. И., Шведова Н. Ю. Толковый словарь русского языка: 72500 слов и выражений/Российская АН. институт русского языка.; Российский фонд культуры. — М.: Азъ Ltd., 1992. — 960 с.

4.      Царева М. В. Стихотворение, «Великий чтива книг», 2015.

yun.moluch.ru

хронология, ученые-физики и их открытия

Хотя история физики как самостоятельной науки началась только в XVII веке, ее истоки относятся к самой глубокой древности, когда люди начали систематизировать первые свои знания об окружающем их мире. До Нового времени они относились к натуральной философии и включали в себя сведения о механике, астрономии и физиологии. Настоящая же история физики началась благодаря опытам Галилея и его учеников. Также фундамент этой дисциплины был заложен Ньютоном.

В XVIII и XIX столетии появились ключевые понятия: энергия, масса, атомы, импульс и т. д. В XX веке стала ясной ограниченность классической физики (помимо нее, зародилась квантовая физика, теория относительности, теория микрочастиц и т. д.). Естественнонаучные знания дополняются и сегодня, так как перед исследователями остается множество нерешенных проблем и вопросов о природе нашего мира и всей вселенной.

Древность

Многие языческие религии Древнего мира основывались на астрологии и знаниях звездочетов. Благодаря их исследованиям ночного неба произошло становление оптики. Накопление астрономических знаний не могло не повлиять на развитие математики. Однако теоретически объяснить причины природных явлений древние не могли. Жрецы приписывали молнии и солнечные затмения божественному гневу, что не имело ничего общего с наукой.

В то же время в Древнем Египте научились измерять длину, вес и угол. Эти знания были необходимы архитекторам при строительстве монументальных пирамид и храмов. Развивалась прикладная механика. Сильны в ней были и вавилоняне. Они же, основываясь на своих астрономических знаниях, стали использовать сутки для измерения времени.

Древнекитайская история физики началась в VII веке до н. э. Накопленный опыт в ремеслах и строительстве был подвергнут научному анализу, результаты которого были изложены в философских сочинениях. Самым известным их автором считается Мо-цзы, живший в IV столетии до н. э. Он предпринял первую попытку сформулировать основополагающий закон инерции. Уже тогда китайцы первыми изобрели компас. Они открыли законы геометрической оптики и знали о существовании камеры-обскуры. В Поднебесной появились зачатки теории музыки и акустики, о которых еще долгое время не подозревали на Западе.

Античность

Античная история физики больше всего известна благодаря греческим философам. Их исследования основывались на геометрических и алгебраических познаниях. Например, пифагорейцы первыми объявили о том, что природа подчиняется универсальным законам математики. Эту закономерность греки видели в оптике, астрономии, музыке, механике и других дисциплинах.

История развития физики с трудом представляется без трудов Аристотеля, Платона, Архимеда, Лукреция Кара и Герона. Их сочинения сохранились до наших времен в достаточно целостном виде. Греческие философы отличались от современников из других стран тем, что они объясняли физические законы не мифическими понятиями, а строго с научной точки зрения. В то же время у эллинов случались и крупные ошибки. К ним можно отнести механику Аристотеля. История развития физики как науки многим обязана мыслителям Эллады уже хотя бы тем, что их натурфилософия оставалась основой международной науки до XVII столетия.

Вклад александрийских греков

Демокрит сформулировал теорию атомов, согласно которой все тела состоят из неделимых и крохотных частиц. Эмпедокл предложил закон сохранения материи. Архимед заложил основы гидростатики и механики, изложив теорию рычага и подсчитав величину выталкивающей силы жидкости. Он же стал автором термина «центр тяжести».

Александрийский грек Герон считается одним из величайших инженеров в человеческой истории. Он создал паровую турбину, обобщил знания об упругости воздуха и сжимаемости газов. История развития физики и оптики продолжилась благодаря Евклиду, исследовавшему теорию зеркал и законы перспективы.

Средневековье

После падения Римской империи настал крах античной цивилизации. Многие знания были преданы забвению. Европа почти на тысячу лет остановилась в своем научном развитии. Храмами знаний стали христианские монастыри, которым удалось сохранить некоторые сочинения прошлого. Однако прогресс тормозила сама церковь. Она подчинила философию богословской доктрине. Мыслители, пытавшиеся выйти за ее пределы объявлялись еретиками и жестоко наказывались инквизицией.

На этом фоне первенство в естественных науках перешло к мусульманам. История возникновения физики у арабов связана с переводом на их язык трудов античных греческих ученых. На их основе мыслители востока сделали несколько собственных важных открытий. К примеру, изобретатель Аль-Джазири описал первый коленчатый вал.

Европейский застой продлился вплоть до Ренессанса. За Средние века в Старом Свете изобрели очки и объяснили возникновение радуги. Немецкий философ XV века Николай Кузанский первым предположил, что Вселенная бесконечна, и тем самым далеко опередил свое время. Через несколько десятилетий Леонардо да Винчи стал первооткрывателем явления капиллярности и закона трения. Также он пытался создать вечный двигатель, но не справившись с этой задачей, начал теоретически доказывать неосуществимость подобного проекта.

Ренессанс

В 1543 году польский астроном Николай Коперник опубликовал главный труд всей своей жизни «О вращении небесных тел». В этой книге впервые в христианском Старом Свете была произведена попытка защитить гелиоцентрическую модель мира, согласно которой Земля крутится вокруг Солнца, а не наоборот, как предполагала принятая церковью геоцентрическая модель Птолемея. Многие ученые физики и их открытия претендуют на звание великих, однако именно появление книги «О вращении небесных тел» считается началом научной революции, за которой последовало возникновение не только современной физики, но и современной науки в целом.

Другой знаменитый ученый Нового времени Галилео Галилей больше всего прославился изобретением телескопа (также ему принадлежит изобретение термометра). Кроме того, он сформулировал закон инерции и принцип относительности. Благодаря открытиям Галилея зародилась совершенно новая механика. Без него история изучения физики застопорилась бы еще на долгое время. Галилею, как и многим его широко мыслившим современникам, пришлось сопротивляться давлению церкви, из последних сил пытавшейся защитить старый порядок.

XVII столетие

Набравший ход рост интереса к науке продолжился и в XVII веке. Немецкий механик и математик Иоганн Кеплер стал первооткрывателем законов движения планет в Солнечной системе (законов Кеплера). Свои взгляды он изложил в книге «Новая астрономия», изданной в 1609 году. Кеплер оппонировал Птолемею, заключив, что планеты движутся по эллипсам, а не по окружностям, как считалось еще в античности. Этот же ученый внес значительный вклад в развитие оптики. Он исследовал дальнозоркость и близорукость, выяснив физиологические функции хрусталика глаза. Кеплер ввел понятия оптической оси и фокуса, сформулировал теорию линз.

Француз Рене Декарт создал новую научную дисциплину – аналитическую геометрию. Также он предложил закон преломления света. Главным трудом Декарта стала книга «Начала философии», изданная в 1644 году.

Немногие ученые-физики и их открытия известны так, как англичанин Исаак Ньютон. В 1687 году он написал революционную книгу «Математические начала натуральной философии». В ней исследователь изложил закон всемирного тяготения и три закона механики (также ставшие известными как законы Ньютона). Этот ученый работал над теорией цвета, оптикой, интегральными и дифференциальными исчислениями. История физики, история законов механики – все это тесно связано с открытиями Ньютона.

Новые рубежи

XVIII век подарил науке множество выдающихся имен. Особенно выделяется среди них Леонард Эйлер. Этот швейцарский механик и математик написал более 800 работ по физике и таким разделам, как математический анализ, небесная механика, оптика, теория музыки, баллистика и т. д. Петербургская академия наук признала его своим академиком, из-за чего Эйлер значительную часть жизни провел в России. Именно этот исследователь положил начало аналитической механике.

Интересно что история предмета физика сложилась такой, какой мы ее знаем, благодаря не только профессиональным ученым, но и исследователям-любителям, гораздо больше известным в совершенно другом качестве. Самым ярким примером такого самоучки стал американский политик Бенджамин Франклин. Он изобрел громоотвод, внес большой вклад в изучение электричества и сделал предположение о его связи с явлением магнетизма.

В конце XVIII столетия итальянец Алессандро Вольта создал «вольтов столб». Его изобретение стало первой электрической батарей в истории человечества. Этот век также ознаменовался появлением ртутного термометра, создателем которого был Габриэль Фаренгейт. Другим важным событием изобретательства оказалось изобретение паровой машины, произошедшее в 1784 году. Оно породило новые средства производства и перестройку промышленности.

Прикладные открытия

Если история начала физики развивалась исходя из того, что наука должна была объяснить причину природных явлений, то в XIX веке ситуация значительно изменилась. Теперь у нее появилось новое призвание. От физики стали требовать управления природными силами. В связи с этим стала ускоренно развиваться не только экспериментальная, но и прикладная физика. «Ньютон электричества» Андре-Мари Ампер ввел новое понятие электрического тока. В этой же области работал Майкл Фарадей. Он открыл явление электромагнитной индукции, законы электролиза, диамагнетизм и стал автором таких терминов, как анод, катод, диэлектрик, электролит, парамагнетизм, диамагнетизм и т. д.

Сложились новые разделы науки. Термодинамика, теория упругости, статистическая механика, статистическая физика, радиофизика, теория упругости, сейсмология, метеорология – все они формировали единую современную картину мира.

В XIX столетии возникли новые научные модели и понятия. Томас Юнг обосновал закон сохранения энергии, Джеймс Клерк Максвелл предложил собственную электромагнитную теорию. Русский химик Дмитрий Менделеев стал автором значительно повлиявшей на всю физику периодической системы элементов. Во второй половине века появилась электротехника и двигатель внутреннего сгорания. Они стали плодами прикладной физики, ориентированной на решение определенных технологических задач.

Переосмысление науки

В XX веке история физики, кратко говоря, перешла к тому этапу, когда наступил кризис уже устоявшихся классических теоретических моделей. Старые научные формулы начали противоречить новым данным. К примеру, исследователи выяснили, что скорость света не зависит от, казалось бы, незыблемой системы отсчета. На рубеже столетий были открыты требовавшие подробного объяснения явления: электроны, радиоактивность, рентгеновские лучи.

Вследствие накопившихся загадок произошел пересмотр старой классической физики. Ключевым событием в этой очередной научной революции стало обоснование теории относительности. Ее автором был Альберт Эйнштейн, впервые поведывавший миру о глубинной связи пространства и времени. Возник новый раздел теоретической физики – квантовая физика. В ее становлении приняли участие сразу несколько ученых с мировым именем: Макс Планк, Макс Бон, Эрвин Шредингер, Пауль Эренфест и другие.

Современные вызовы

Во второй половине XX века история развития физики, хронология которой продолжается и сегодня, перешла на принципиально новый этап. Этот период ознаменовался расцветом исследования космоса. Небывалый скачок сделала астрофизика. Появились космические телескопы, межпланетные зонды, детекторы внеземных излучений. Началось детальное изучение физических данных различных тел Солнечной планеты. С помощью современной техники ученые обнаружили экзопланеты и новые светила, в том числе радиогалактики, пульсары и квазары.

Космос продолжает таить в себе множество неразгаданных загадок. Изучаются гравитационные волны, темная энергия, темная материя, ускорение расширения Вселенной и ее структура. Дополняется теория Большого взрыва. Данные, которые можно получить в земных условиях, несоизмеримо малы по сравнению с тем, сколько работы у ученых есть в космосе.

Ключевые проблемы, стоящие перед физиками сегодня, включают в себя несколько фундаментальных вызовов: разработку квантового варианта гравитационной теории, обобщение квантовой механики, объединение в одну теорию всех известных сил взаимодействия, поиск «тонкой настройки Вселенной», а также точное определение явления темной энергии и темной материи.

fb.ru

с какого класса начинается? Что изучают на уроках физики

Каждый школьник рано или поздно познакомится с естественными науками, такими как:

  • биология;
  • химия;
  • физика;
  • экология.

Но в данной статье поговорим только о таком предмете, как физика. С какого класса начинается, что изучают, к чему готовиться? Все это обсудим ниже.

Что это за предмет?

Физика – наука о природе. Об этом говорят все учебники, педагоги. Но на самом деле определение намного длиннее, потому что эта наука изучает практически все законы, которые происходят в окружающей среде.

Школьники узнают, почему любое тело падает на землю, как вода превращается в лед, в чем измеряются различные величины (например, атмосферное давление, мощность и сила тока) и так далее. Физика (7 класс) предполагает изучение многих явлений как в природе, так и в быту.

Какие темы изучают в 7 классе?

Сначала учеников познакомят с самой наукой, кратко расскажут о том, что она собой представляет. Хороший педагог покажет или опыты, или интересные плакаты. Нужно иметь представление о том, что такое физика. С какого класса начинается изучение механики и строения веществ? Именно с 7-го, так как эти темы наиболее простые и самые доступные для понимания.

Представьте себе, что вы каждый день перемещаетесь в транспорте или пешком, мимо идут люди. Другой пример: кипячение воды, заваривание чая с сахаром. На уроках физики учитель расскажет, как происходят те или иные процессы.

Как вызвать интерес?

Любая тема связана с реальной жизнью. Еще с древних времен люди стремятся познать мир, понять, как происходят те или иные явления. Возможно, что и вы иногда или часто задаетесь вопросами, например о том, как летают птицы и самолеты, почему все падает вниз, как существует электрический ток и почему магнит притягивает к себе все железное или стальное. На все эти вопросы ответит физика. С какого класса начинается изучение, например, электричества? А звука? Помните, что этот предмет начинается с 7 класса, а заканчивается с окончанием школы (в 11 классе). Поэтому все разделы будут рассмотрены в течение 5 лет постепенно. В самом начале изучается самое элементарное. Главное - стараться учить определения с пониманием смысла, будет проще запомнить. Давайте приведем пример.

Траектория – это линия, по которой движется тело.

О чем здесь речь? Давайте для начала запомним, что в любой науке есть термины, которые характеризуют что-то. Вы впервые услышали слово «траектория», может, еще в детстве от взрослых. Но не знали, что это. Представьте, что вы идете в школу по заснеженной тропинке зимой. После вас остаются следы. Представьте вид сверху. Следы описывают вашу траекторию, как вы перемещаетесь от дома к школе. Есть фраза, например: астероид изменил траекторию. Что это значит? Он двигался в одном направлении, допустим от Марса к Юпитеру, а потом свернул в сторону.

О строении вещества

Вы познакомитесь с понятием «молекула», которое будет встречаться и в химии, и биологии. Это очень и очень маленькое вещество, которое можно увидеть только под мощнейшим микроскопом. В кабинете физики есть плакаты, показывающие молекулярные структуры тех или иных веществ (например, воды, металла).

Впервые учащимся предстоит познакомиться с лабораторными работами, которые обязывает проводить физика. С какого класса начинается изучение, исследование по той или иной теме занятия? Именно с 7-го. Обязательно слушайте учителя, записывайте, какие необходимые инструменты и принадлежности приносить на следующий урок.

Взаимодействие тел

Вам предстоит изучить, как взаимодействуют тела между собой. Узнаете множество новых терминов, а также три закона Ньютона, объясняющие, как происходят те или иные явления. Допустим, в бильярде один шар ударился о другой, оба откатились. Почему это произошло? Это и объяснит физика в школе.

Помимо определений (терминов), нужно изучить единицы измерений, формулы. Очень важно знать хорошо математику, чтобы при решении задач не возникло затруднений.

Давление жидкостей, газов и твердых тел

Интересные и полезные темы будут при изучении данного раздела: атмосферное давление, плавание судов и многое другое. Несмотря на сложность, большой объем информации, будет интересно узнать, почему же не тонут корабли.

Физика (7 класс) предлагает изучить только то, что мы видим каждый день. Старайтесь обращать внимание на все вокруг. Например, посмотрите прогноз погоды. Там обязательно скажут, какая температура ожидается в ближайшие дни, будут ли осадки, ветер, а также проинформируют, какое будет атмосферное давление и сила ветра.

Работа, мощность, энергия

В этом разделе будет рассказано о том, что происходит среди нас, но мы этого не видим. Что изучает в этом случае физика? С какого класса начинается изучение работы, мощности, энергии? Так же с 7 класса. Давайте посмотрим. Например, малыш везет санки по тропинке. Что происходит? Осуществляется работа. Малыш затрачивает свою энергию, особенно если санки тяжелые. Мощность также имеет здесь смысл, потому что она может оценить, как справится со своей задачей ребенок.

Обязательно каждое определение изучайте на реальных примерах, рисунках, схемах. Запоминайте формулы и обозначения тех и других параметров. Они вам понадобятся при дальнейшем изучении предмета.

Вот мы с вами и уяснили, с какого класса изучают физику, с чем предстоит познакомиться. От вас теперь зависит многое: чтобы предмет давался успешно, нужно начать интересоваться, применять изучаемое в реальной жизни.

fb.ru

Квантовая физика (начало) - Разработки уроков - Каталог файлов

Квантовая физика (1 урок)

Цель: ознакомить учащихся с новым разделом физики

Ход урока

  1. Организационный момент
  2. Изучение нового материала

В конце 19 столетия многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

  • Больше 200  лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения
  • Разработана молекулярно-кинетическая энергия
  • Подведен прочный фундамент под термодинамику
  • Завершена максвелловская теория электромагнетизма
  • Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, массы и электрического заряда)

В конце 19 начале 20 веков открыты:

В.Рентгеном – Х лучи

А.Беккерелем – явление радиоактивности

Дж.Томсоном – электрон

Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А.Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятий пространства и времени. Специальные опыты  доказали справедливость гипотезы Д.Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

         Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела, т.е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины. Австрийские физики И.Стефан и Л.Больцман экспериментально установили, что полная энергия, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с единицы поверхности пропорциональна 4 степени абсолютной температуры:

Е = , где v=5,67∙10-8 Дж/(м2  к4 с) – постоянная Больцмана.

Закон был назван законом Стефана-Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре. По заданным значениям температуры интенсивность излучения черного тела максимальна и соответствует определенному значению длины волны.

         Немецкий физик В.Вин обнаружил, что при изменении температуры длина волны, на которую приходится Еmax, убывает на ~ ,  поэтому λ∙Τ=const.

         Используя законы термодинамики, В.Вин получил закон распределения энергии в спектре черного тела, который совпадает с экспериментальными результатами.

         Английский физик Дж.Рэлей сделал попытку более строгого теоретического вывода закона распределения энергии. Его закон приводит к хорошему совпадению с опытами в области малых частей. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать на ~ ν2. Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории и результатов эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы. Законы, полученные Маквеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой распределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела.

         В самом конце прошлого века  Макс Планк (1858-1947), как и многие до него, искал универсальную формулу для спектральной функции абсолютно черного тела. Ему повезло больше, чем другим – вначале он ее просто угадал, хотя появилась она не вдруг: два года напряженных размышлений потребовались Планку, чтобы объединить в одной формуле разрозненные куски единой картины явления теплового излучения.

         19 октября 1900г. проходило очередное заседание Немецкого физического общества, на котором экспериментаторы Генрих Рубенс (1885-1922) и Фердинанд Курлбаум (1857-1927) докладывали о новых, более точных измерениях спектра абсолютно черного тела. После доклада состоялась дискуссия, в ходе которой экспериментаторы сетовали на то, что ни одна теория не может объяснить их результаты. Планк предложил воспользоваться своей формулой. В ту же ночь Рубенс сравнил свои измерения с формулой Планка и убедился, что она правильно, до мельчайших подробностей, описывает спектр абсолютно черного тела. На утро он сообщил это коллеге и близкому другу Планку и поздравил его с успехом.

         Однако Планк был теоретик и поэтому ценил не только окончательные результаты, но и внутреннее их совершенство. К тому же он и не знал, что открыл новый закон природы, и верил, что его можно вывести из ранее известных. Поэтому он стремился теоретически обосновать закон излучения, исходя из простых посылок кинетической теории материи и термодинамики. Последовали два месяца непрерывной работы и предельного напряжения сил. Ему это удалось. В процессе вычислений он предположил, что энергия испускается порциями (или квантами), которые определяются по формуле: Е=hν .

Предположение Планка было простым, но по существу противоречило всему прежнему опыту физики. «Излучение – это волновой процесс». Если это так, то энергия в этом процессе должна передаваться непрерывно, а не порциями- квантами. Это противоречие Планк осознавал. Он выявил эту формулу, когда ему было 42 года, но почти всю оставшуюся жизнь он страдал от логического несовершенства им же созданной теории. Двадцать лет спустя, в докладе, который Планк сделал по случаю вручения ему Нобелевской премии по физике, он вспоминал, что в то время признание реальности квантов было для него равносильно «нарушению непрерывности всех причинных связей в природе». И далее, в 1933 г. в письме к Роберту Вуду он назвал свою теорию «актом отчаяния».

         Только формула Планка удовлетворила ученых: она поразительно совпадала с результатами опытов, хотя и не становилась от этого более понятной. Только четверть века спустя новая наука – квантовая механика – объяснит  истинный смысл революции, которую, подчиняясь логике научного исследования, и во многом вопреки своей воле, совершил в физике Макс Планк.

         В пятницу, 14 декабря 1900 г. в зоне Немецкого физического общества родилась новая наука – учение о квантах.

 3.Закрепление изученного

  • Как согласно гипотезе Планка абсолютно черное тело излучает энергию?
  • Согласно электродинамике Максвелла нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Так ли это в действительности?
  • За счет чего получена теория теплового излучения Планка в применении к макроскопическим системам?
  • Что происходит с максимумом интенсивности излучения при увеличении температуры нагретого тела?
  • Какие явления изучает квантовая физика?

puchkova.ucoz.ru

Начало новой физики

2. Начало новой физики

    Открытию Резерфорда предшествовали неожиданные и удивительные результаты экспериментов, полученные в конце XIX – начале XX веков, затрагивающие фундаментальные основы физики. Теория относительности Эйнштейна потребовала кардинального пересмотра представления о пространстве и времени. Возникла проблемы с описанием физической природы излучения и вещества, описания строения атома, явления радиоактивности. Законы классической механики и классической электродинамики оказались не в состоянии описать свойства атомов, молекул, атомных ядер. Возникла новая физика — квантовая физика.

    Э.Резерфорд, 1936 г.: «В результате проведенных в течение столетий усердных работ химики преуспели в разделении и очистке подавляющего большинства элементов, и возникло представление о том, что атомы данного типа вещества все сделаны по одному образцу. Атомы были неизменяемы и неразрушаемы, и такими они должны были оставаться навечно или до тех пор, пока будет существовать наука химия. И хотя от старого представления об атоме, как о твердом «биллиардном шаре», в конце прошлого столетия полностью отказались, химики все еще были уверены, что с точки зрения имеющихся в их распоряжении методов атомы неизменны и определенно неразрушаемы. Случалось, что кто-нибудь воображал, что превратил один тип атома в другой, но всегда можно было доказать, что он ошибся.
    Тогда же было развито замечательное обобщение, известное как периодический закон, на основе которого свойства элементов связывались с их положением в ряду по атомным весам. Наиболее мыслящие из химиков инстинктивно чувствовали, что этот закон соответствует представлению о том, что все атомы либо схожи по своей структуре, либо каким-то образом все сделаны из более элементарного материала. Но эти представления были очень смутны, и истинное значение периодического закона было понято лишь через 10 или 15 лет».

    Конец XIX столетия был богат неожиданными открытиями, которые изменили существовавшее представление о строении вещества. В конце 1895 г., экспериментируя с излучением, возникающим вблизи анода разрядной трубки, Рентген обнаружил, что излучение, которое он назвал X-лучами, свободно проходит сквозь непрозрачные для света предметы. В настоящее время более употребительный термин обнаруженного излучения – рентгеновское излучение. Большая проникающая способность рентгеновского излучения объясняется их короткой длиной волны. Видимый свет имеет длину волны (8 – 4)·10–5 см, в то время как длина волны рентгеновского излучения 3·10–7 – 10–8 см. Открытие рентгеновского излучения имело большой общественный резонанс. Всем хотелось увидеть чудо – собственные кости или увидеть предмет за непроницаемой для обычного света перегородкой.
    В 1896 г. А.Беккерель обнаружил, что соли урана тоже испускают излучение, которое чем-то было похоже на рентгеновское излучение – оно также проходило через непрозрачные предметы и слабо поглощалось в веществе. Но в отличие от рентгеновского излучения для его получения не нужен был источник высокого напряжения. Соли урана излучали непрерывно, самопроизвольно. На излучение солей урана не влияли никакие внешние воздействия. Излучение урана было вначале названо лучами Беккереля.
    В 1897 г. Дж. Томсон, изучая излучение различных газов, заполняющих разрядную, трубку, показал, что независимо от состава газа, заполняющего разрядную трубку, в результате разряда образуются одинаковые мельчайшие частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд. Частица была названа электроном. Электрон имеет массу примерно в 2000 раз меньше, чем масса самого легкого атома водорода. 1897 год стал годом рождения новой элементарной частицы – электрона.
    Томсон считал, что отрицательно заряженные корпускулы катодных лучей являются первичными частицами, из которых состоит вся материя.

    Дж. Томсон, 1898 г.: «Катодные лучи представляют собой новое состояние материи, состояние, в котором делимость материи идёт много дальше, чем в случае обычного газообразного состояния; состояние, в котором вся материя, т.е. материя, полученная от различных источников, таких как водород, кислород и углерод, одного и того же рода, эта материя представляет собой то вещество, из которого построены все химические элементы».

Обнаружение в составе атома электронов, которые можно было отделить от атома, разрушило существовавшее в течение 2,5 тысяч лет со времен Демокрита представление об элементарном и неделимом атоме.

    Изучением природы лучей Беккереля, их отличием от рентгеновского излучения, активно занимались многие физики. Резерфорд, воздействуя на излучение урана магнитным полем, исследуя поглощение излучения в фольгах различной толщины, в 1899 г. установил, что оно состоит из двух типов частиц. Короткопробежные положительно заряженные частицы он назвал α-частицами. Отрицательно заряженные частицы, которые имели больший пробег в веществе, были названы им β-частицами.
    Нейтральное γ-излучение урана было открыто в 1900 г. П. Виллардом. Обнаруженная способность излучения урановых солей ионизировать воздух была использована для определения источников излучения Беккереля. Вскоре было обнаружено, что соединения тория также самопроизвольно испускают лучи Беккереля.

    Э. Резерфорд, 1908 г.: «Вскоре после того, как Беккерель открыл фотографическим методом излучательную способность урана, он показал, что урановое излучение, как и рентгеновские лучи, обладает свойством разряжать наэлектризованное тело. При подробном исследовании этого свойства я, изучая зависимость скорости разряда от числа слоёв тонкой алюминиевой фольги помещенных над поверхностью слоя окиси урана, пришёл к выводу о наличии двух видов излучения. Вывод в то время были сформулированы следующим образом.
    «Эти эксперименты показывают, что урановое излучение имеет сложный состав и что существует, по крайней мере, два вида излучения: одно, легко поглощающееся, которое мы будем для удобства называть α излучением, и другое, обладающее большей проникающей способностью, называемое β-излучением». После того как были открыты другие радиоактивные вещества оказалось, что их излучения аналогичны α- и β лучам урана, а когда Вийяр обнаружил ещё более проникающее излучение радия, оно получило называние γ-излучения. Эти названия вскоре стали общеприняты, как удобные обозначения трёх различных видов излучения, испускаемых ураном, радием, торием и актинием. На первых порах α-лучам, вследствие их незначительной проникающей способности, не придавали большого значения, главное внимание было направлено на более проникающие β-лучи. После появления активных препаратов радия Гизель в 1899 г. показал, что β-лучи, испускаемые этими препаратами, легко отклоняются в магнитном поле в том же направлении, что и поток катодных лучей., несущих отрицательный заряд; следовательно, β-лучи представляют собой также поток отрицательно заряженных частиц. Доказательство тождественности β-частиц и электронов, образующих катодные лучи, завершил в 1900 г. Беккерель, который показал, что β-частицы, испускаемые радием, имеют почти такую же малую массу, как электроны, и что они испускаются со скоростью сравнимой со скоростью света».

    По предложению М. Кюри, вещества, испускающие лучи Беккереля, стали называть радиоактивными. А само явление – радиоактивностью. Считалось, что радиоактивность – атомное свойство. П. Кюри обнаружил, что радиоактивные вещества имеют температуру выше окружающей среды. Испускание радиоактивного излучения веществом приводит к его нагреванию.
    Изучая радиоактивность урана, М. Кюри обнаружила, что химически чистый уран имеет гораздо меньшую радиоактивность, чем соли урана. Оказалось, что соли урана содержат два новых неизвестных ранее химических элемента, которые также обладают свойством радиоактивности. Это были полоний Po и радий Ra. Содержание этих химических элементов в радиоактивных минералах составляло 10–7 от содержания урана.

В физике появился новый термин – активность радиоактивного источника. В качестве единиц активности источника были выбраны Кюри и Беккерель:

1 Беккерель = 1 распад/с,

1 Кюри = 3,7·1010 распад/с.

Активность 1 Кюри соответствует распаду 1 грамма радия вместе с продуктами его распада.

    Исследуя радиоактивность урана, тория, радия, Резерфорд показал, что радиоактивные вещества, испуская α-частицы, превращаются в другие химические вещества, отличающиеся от исходных по своим физическим и химическим свойствам. Так, при распаде радия образовывался радиоактивный газ – эманация радия (радон Rn), который также испускал α частицы. Однако радиоактивность радона Rn полностью пропадала в течение нескольких часов. Это противоречило всем случаям неизменной радиоактивности, которая наблюдалась до этого. Оказалось, что радиоактивность вещества может уменьшаться и совсем исчезать. Очень скоро стало ясно, что уменьшение радиоактивности различных веществ происходит с разной скоростью. Число частиц, испускаемых радиоактивным веществом, уменьшается со временем экспоненциально. Для описания этого свойства радиоактивного вещества была введена новая характеристика – период полураспада.

Период полураспада – время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается в 2 раза. Период полураспада разных радиоактивных веществ изменяется в очень широких пределах от 10–17 с до 1022 лет.

    Изучая распад радия, Резерфорд доказал, что α-частицы – это атомы гелия, у которых оторвано два электрона. Для этого он собрал образующиеся в результате распада эманации радия α-частицы в разрядной трубке и показал, что при разряде в трубке видны спектральные линии гелия. Так было доказано, что α-частицы – это ионизированные атомы гелия.

В результате экспериментов, выполненных Резерфордом, было впервые показано, что одни химические элементы могут спонтанно превращаться в другие химические элементы.

    Химический элемент радий Ra превращался в химические элементы радон Rn и гелий He. Эти результаты коренным образом изменили существовавшие до Резерфорда взгляды на неизменную природу химических элементов.

    Э.Резерфорд: «На основании полученных в настоящее время данных можно сделать вывод, что начало последовательности химических превращений, протекающих в радиоактивных телах, обусловлено испусканием α-лучей, т.е. вырыванием из атома тяжелой заряженной массы. Остающаяся часть нестабильна и претерпевает дальнейшие химические изменения, которые в свою очередь сопровождаются испусканием α-лучей … Хорошо известный элемент радий происходит от урана и является пятым продуктом в ряду его превращений».

    Ф.Содди сформулировал закон радиоактивного смещения, согласно которому при излучении α-частицы один химический элемент превращается в другой, расположенный на два места ниже в Периодической таблице, а β- излучение вызывает смещение химического элемента на одно место выше. На основе закона смещения была получена последовательность распада многих радиоактивных элементов. Например, цепочка последовательных распадов 238U:

    γ-Излучение непосредственно не связано с превращением элементов. Оно возникает, если в результате α- и β-распада образуется возбужденное ядро, которое после испускания γ-кванта, переходит в более низко­расположенное по энергии состояние. Этот процесс аналогичен испусканию излучения атомом.
    Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1910 г. при изучении продуктов распада радиоактивных ядер. Было обнаружено, что существует несколько различных веществ, которые имеют одинаковые химические свойства, но различаются атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. По предложению Ф. Содди такие вещества были названы изотопами.

Фотоэффект
hν = U + Ee
hν − энергия фотона,
U − работа выхода,
Ee − кинетическая энергия электрона.

Альберт Эйнштейн
(1897 – 1955)

    А. Ф. Иоффе: «Для физиков же, и в особенности для физиков моего поколения — современни­ков Эйнштейна, незабываемо появление Эйнштейна на арене науки. В 1905 г. в «Анналах физики» появилось три статьи, положившие начало трём наиболее актуальным направлениям физики XX века. Это были: теория броуновского движения, фотонная теория света и теория относитель­ности. Автор их неизвестный до тех пор чиновник патентного бюро в Берне Эйнштейн. He приходится тратить много слов на теорию относительности её историю знает каждый физик. Переход от преобразований Лорентца и от гипотезы Лорентца–Фицжеральда к частной теории относительности Эйнштейна, законы сложения скоростей, проблема одновременности, знаменитое соотношение между массой т и запасом энергии тела E:

E = mc2,

где с скорость света, которая становится предельной скоростью распространения энергетических процессов, — все это вошло в кровь и плоть современной физики.
    Известно так же как за частной теорией последовало в 1911 г. обобщение её на ускоренное движение, а в 1915 г. общая теория относительности, включившая теорию тяготения и связь геометрии с наличием массы.
    Эйнштейн поставил перед собою дальнейшую задачу — единую теорию поля, сочетающую электромагнитное поле с тяготением. Одна за другой следовали попытки создать единую теорию, но все они одна за другой оказывались несостоятельными и отвергались критикой».

Нобелевская премия по физике
1921 г. А. Эйнштейн
За вклад в теоретическую физику и, в особенности, за открытие закона фотоэлектрического эффекта.

1900 г. М. Планк выдвинул гипотезу квантов и сформулировал закон излучения черного тела

Энергия кванта
E = hν,
ν − частота излучения.

Спектральная плотность излучения черного тела,
нагретого до температуры T

ћ = h/2π = 1.05·10-34 Дж·сек = 6.58·10-22 МэВ·сек


Макс Планк
(1858 – 1947)

    Л. Д. Ландау: «В чем заключалась суть того преобразования физики, которое сделал Макс Планк в своей знаменитой классической работе в 1900 г.? Она заключалась в том, что с совершенно новой точки зрения рассматривался вопрос о взаимодействии между излучением, т.е. электромагнитными волнами, и веществом. Вещество в то время представляли обычно в виде совокупности совершающих колебания зарядов, иначе говоря, в виде системы осцилляторов. Планк решительно изменил обычную трактовку характера взаимодействия осцилляторов с электромагнитным полем. Именно он пришёл к выводу, что вопреки классической электродинамике, согласно которой всякий осциллятор, как и всякое другое тело, излучает электромагнитные волны непрерывно, необходимо допустить, что излучение электромагнитных волн происходит скачками, порциями, которые Планк назвал знаменитым теперь термином — квантами. Величина одного кванта равна некоторой постоянной h, умноженной на частоту ν колебаний осцилляторов. При помощи этого с современной точки зрения сугубо кустарного допущения Планк сумел получить правильную формулу для черного излучения – формулу, которая осталась без всяких изменений до сегодняшнего дня».

Нобелевская премия по физике
1918 г. М. Планк
За открытие кванта энергии.

1897 г. Открытие электрона 1904 г. Модель атома
Джозеф Джон Томсон
(1856 – 1940)

    Э. Резерфорд, 1936 г.: «Это было в 1897 г., когда из экспериментов, проведенных в основном нашим руководителем Дж. Дж. Томсоном, вытекало, что так называемые катодные лучи Крукса состоят из потока частиц очень малой массы, движущихся с очень большой скоростью. Я полагаю, что мы вправе приписать преимущественную роль в этом открытии Дж. Дж. Томсону, поскольку он был первым, кто отклонил эти частицы как в электрическом, так и в магнитном полях, и первым понял, что электрон должен быть составной частью всех атомов, а также придумал методы определения числа электронов в aтоме»

    Дж. Томсон, 1898 г.: «Я считаю, что атом состоит из большого числа… корпускул [т.е. электронов]… В нормальном атоме это собрание корпускул образует систему, которая электрически нейтральна. Хотя отдельные корпускулы ведут себя подобно отрицательным ионам, однако, когда они собраны в нейтральном атоме, отрицательный эффект уравновешивается чем-то, что заставляет пространство, в котором находятся корпускулы, действовать так, как если бы оно обладало зарядом положительного электричества, равным по величине сумме отрицательных зарядов корпускул».

    Дж. Томсон, 1904 г.: «Мы предполагаем, что атом состоит из некоторого числа [отрицательных корпускул, движущихся внутри сферы с однородной положительной электризацией… Корпускулы располагаются по ряду концентрических оболочек. Постепенное изменение свойств, которое имеет место при перемещении вдоль горизонтальных рядов [периодической] системы элементов, иллюстрируется свойствами, которыми обладают эти группы корпускул».

Нобелевская премия по физике
1906 г. – Дж. Дж. Томсон
За большие заслуги в теоретических и экспериментальных исследованиях электрической проводимости газов.

1895 г. В. Рентген открыл X-лучи, позже названные его именем – рентгеновские лучи

Изучая катодные лучи, В. Рентген открыл новый вид излучения – X-лучи и описал их свойства.
  • Многие материалы оказались прозрачными для X-лучей.
  • X-лучи не отклоняются в электрическом и магнитном полях.
  • Тела, наэлектризованные положительно или отрицательно, разряжаются под действием X-лучей.
  • X-лучи вызывают почернение фотографических пластинок.
  • Многие вещества флюоресцируют под действием X-лучей.
  • Длины волн рентгеновского излучения λ~3·10-8 ÷10-7 см, что гораздо меньше длин волн видимого света λ = (4÷8)·10-5 см.

Вильгельм Рентген
(1845 – 1923)
Нобелевская премия по физике
1901 г. – В. Рентген
За открытие лучей, названных его именем.

1896 г. А. Беккерель. Открытие радиоактивности


Анри Беккерель
(1852 – 1908)

    А. Беккерель дважды в начале 1896 г. выступал на заседании Парижской академии наук с сообщением об открытии им нового явления — радиоактивности. 24 февраля 1896 г. А. Беккерель сообщил о методе регистрации радиоактивности. 2 марта 1896 г. А. Беккерель впервые сообщил, что открытое им явление принципиально отличается от искусственной фосфоресценции, вызываемой облучением некоторых кристаллов под действием солнечного света.

Из выступлений А.Беккереля на заседании Парижской академии наук.
   
Заседание 24 февраля 1896 г.
    «Фотографическую бромосеребряную пластинку Люмьера обертывают двумя листками очень плотной черной бумаги… Сверху накладывают какое-нибудь фосфоресцирующее вещество (бисульфат урана и калия), а затем всё это выставляют на несколько часов на солнце. При проявлении фотопластинки на черном фоне появляется силуэт фосфоресцирующего вещества».
Заседание 2 марта 1896 г.
    «Я особенно настаиваю на следующем факте, кажущемся мне весьма многозначительным… Те же кристаллы, содержащиеся в темноте, в условиях когда возникновение радиации под действием солнечного света исключается, дают, тем не менее, фотографические отпечатки. В среду
26-го и в четверг 27 февраля 1896 г. солнце появлялось лишь с большими перерывами. Я отложил совсем подготовленные опыты и, не трогая кристаллов соли урана, установил кассеты в ящике стола в темноте. В следующие дни солнце не появлялось вовсе, но, проявив пластинки 1 марта, я обнаружил на них совершенно отчетливые контуры».

Нобелевская премия по физике
1903 г. - А. Беккерель
За открытие радиоактивности

    М. Кюри: «Анри Беккерель производил опыты с солями урана, так как некоторые из них обладают свойством флуоресцировать [H. Becquerel, Comptes Rendus, 1896]. Он получил фотографические оттиски сквозь черную бумагу при помощи флуоресцирующего двойного сульфата уранила и калия. Дальнейшие опыты показали, однако, что наблюдаемое явление никак не связано с флуоресценцией. Оказалось, что освещение соли не является необходимым условием и что на фотографические пластинки действуют и уран и все его, как флуоресцирующие, так и нефлуоресцирующие, соединения, причем наиболее сильно действует металлический уран. Беккерель обнаружил затем, что соединения урана, в течение нескольких лет находившиеся в полной темноте, продолжают действовать на фотографические пластинки сквозь черную бумагу. Тогда он пришел к заключению, что уран и его соединения испускают особые урановые лучи. Эти лучи обладают способностью проходить сквозь тонкие металлические экраны. Проходя через газы, урановые лучи ионизируют их и делают их проводниками электричества. Излучение урана самопроизвольно и постоянно, оно не зависит от таких внешних условий, как освещение и температура.
    Лучи тория. Исследования, произведенные одновременно В. Шмидтом и Марией Кюри, показали, что соединения тория испускают лучи, подобные урановым. Такие лучи часто называют лучами Беккереля. Вещества, испускающие лучи Беккереля, назвали радиоактивными, а новое свойство вещества, обнаруженное по этому лучеиспусканию, — радиоактивностью (Мария Кюри). Элементы, обладающие этим свойством, называются радиоэлементами».

1898 г. М. Кюри-Склодовская, П. Кюри. Открытие радиоактивности элементов полония Po (Z=84) и радия Ra (Z=88)

    М. и П. Кюри: «Исследования соединений урана и тория показали... что свойство испускать лучи, которые делают воздух проводящим и действуют на фото­графические пластинки, является специфическим свойством урана и тория, обнаруживающимся во всех соединениях этих металлов, причем это свойство слабее, когда доля активного металла в соединении меньше: Физическое состояние вещества, по-видимому, не имеет существенного значения... Следовательно, очень вероятно, что некоторые минералы, более активные, чем уран и торий, содержат вещество, более активное, чем эти металлы... Мы попытались изолировать это вещество в урановой смолке, и эксперименты подтвердили предыдущее заключение... Урановая смолка была примерно в 2,5 раза активнее [по производимой ею ионизации], чем уран... Она была подвергнута дей­ствию кислот, и полученный раствор был обработан сернистым водородом. Уран и торий остались в растворе, [однако] осажденный сульфид содер­жал очень активное вещество вместе со свинцом, висмутом, медью, мышьяком и сурьмой…
    При проведении таких операций получаются все более и более активные продукты. Наконец, мы получили вещество, активность которого оказалась в 400 раз больше активности урана... Поэтому мы думаем, что веще­ство, которое мы выделили из урановой смолки, содержит неизвестный до сих пор металл... Если существование этого нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием в честь родины одного из нас (Мария Кюри)».


Мария Кюри-Склодовская (1867—1934) и Пьер Кюри (1859— 1906)

    В ходе дальнейших исследований супруги Кюри нашли, что урановая смолка содержит «второе сильно радиоактивное вещество, совершенно отличное от полония по своим химическим свойствам. Это новое радиоактивное вещество... имеет все химические свойства бария.
    Растворяя осадок в воде, вновь осаждая его в спирте и повторяя эту процедуру несколько раз, удалось, наконец, получить продукт с актив­ностью, превосходящей в 900 раз активность урана. Полученные результаты объяснялись присутствием нового элемента, который был назван радием. Так как наиболее активный продукт все еще содержал большую долю бария, был сделан совершенно правильный вывод, что «радиоактивность радия должна быть огромной» по сравнению с радиоактивностью урана.

    «Супруги Пьер Кюри и Мария Кюри-Склодовская подвергли систематическому исследованию все известные химические элементы в отношении радиоактивности (термин «радиоактивность» был впервые введен ими). Они нашли её также у тория… Но в миллионы раз сильнее она оказалась у двух новых элементов: полония и радия. Аналитико-химическая методика, примененная супругами Кюри при исследовании элементов на радиоактивность, привела в течение двух следующих десятилетий в руках многочисленных исследователей к открытию других «естественных» радиоактивных элементов».

М. Лауэ «История физики»

Нобелевская премия по физике
1903 г. – П. Кюри и М. Кюри-Склодовская
За Исследования радиоактивности Нобелевская премия по химии
1911 г. - М. Кюри-Склодовская
За открытие элементов радия и полония, изучение свойств радия, получение радия в металлическом состоянии и осуществление экспериментов, связанных с радием

α-Частицы — ионизованные атомы 4He


1 – разрядная трубка,
2 – радиоактивные источники Th, Ra,
3 – трубка для накопления α-частиц

   Работа Резерфорда в Канаде ознаменовалась целым рядом крупнейших открытий. Во-первых, им была открыта эманация тория. Вместе с Резерфордом там же работал в то время молодой химик Содди, и с ним Резерфорд начал изучать химический характер элементов, получаемых от радиоактивного распада, так как было очень важно установить наряду с физическими и химические особенности радиоактивного процесса. В то время радиоактивность еще не была понята, и Резерфорд вместе с Содди были первыми, кто доказал, что это есть спонтанный переход одних элементов в другие, называемый теперь радиоактивным распадом. При этом испускаются либо α-лучи, состоящие из быстро летящих атомов гелия с положительным зарядом, либо β-лучи — быстро летящие электроны. На основании этого Резерфорд предполагал, что эманация тория есть элемент, отличный от самого тория. Вместе с Содди он по диффузии определил атомный вес эманации и показал, что она соответствует благородному газу. Теория радиоактивного распада, выдвинутая Резерфордом и Содди в 1903 г., произвела революцию.

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

    Уже в 1897 г. Э. Резерфорд различал по проникающей способности два вида радиоактивного излучения: легче поглощаемые α-лучи и более проникающие β-лучи. В то время как последние, благодаря их легкой отклоняемости в электрическом и магнитном полях, были вскоре отождествлены с электронами, над природой первых Резерфорду пришлось потрудиться более долгое время. Но в 1903 г. он нашел, наконец, посредством опытов с отклонением этих лучей, что отношение их заряда к массе по знаку и величине соответствует дважды ионизованным атомам гелия. Вильям Рамзай (1852—1916) и Фр. Содди установили в 1904 г. поразительное появление гелия в соединениях радия; единственным объяснением могло быть возникновение гелия из радия. Резерфорд и Т. Ройдс подтвердили в 1909 г. идентичность α-частиц и ионов гелия, так как они обнаружили в собранных нейтрализованных α-частицах характерную желтую линию спектра гелия. Так было доказано возникновение элемента ге­лия из других элементов. В то же самое время постепенно установили, что за небольшими исключениями радиоактивное тело посылает либо α-лучи, либо β-лучи; обнаруженное в 1900 г. Паулем Виллардом неотклоняемое γ-излучение может быть связано с обоими.

М. Лауэ «История физики»

Нобелевская премия по химии
1908 г. - Э. Резерфорд
За исследования по превращению элементов и за химические исследования радиоактивных веществ.

nuclphys.sinp.msu.ru

Author: alexxlab

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о