Эволюция физической картины мира. Физика и научно-технический прогресс

 
 

Вы изучаете физику три года и уже ознакомились с основными разделами этой науки — механикой, оптикой, электричеством и др. Вы узнали о том, что в физике называют законами; выяснили, как исследуют физические явления, каким образом достижения ученых-физиков воплощаются в приборах, машинах, оборудовании, значительно повышая качество жизни человека. Теперь рассмотрим вопрос эволюции физической картины мира и взаимосвязи физики и общественного развития.

Узнаём об эволюции физической картины мира

Рис. 40.2. С помощью космического телескопа удалось сфотографировать Туманность Орла — скопление звезд, расположенное на расстоянии 7000 световых лет от Земли

На протяжении тысячелетий человека интересовали вопросы: что представляет собой окружающая Вселенная? как она «устроена»? по каким законами развивается?

Древние философы считали Землю центром Вселенной и полагали, что Земля плоская и окружена гигантской хрустальной сферой (рис. 40.1).

В Средние века благодаря учениям Галилео Галилея и Николая Коперника была сформирована гелиоцентрическая картина мира — учение, согласно которому Солнце находится в центре Вселенной, а все тела, в том числе планеты, и в частности Земля, вращаются вокруг Солнца.

За последние 100 лет знания человечества о Вселенной значительно углубились. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна объяснила существование многих загадочных объектов Вселенной, например черных дыр. Благодаря радиотелескопам, работающим во многих диапазонах электромагнитных волн, расширились возможности получения информации о космическом пространстве.

Космические аппараты пролетели вблизи всех планет Солнечной системы, сфотографировали их поверхности, побывали на Марсе, Венере, Луне, других небесных телах. С 1990 г. на орбите Земли работает телескоп «Хаббл», благодаря которому удалось «увидеть» объекты в далеких галактиках (рис. 40.2).



 

Параллельно с изучением объектов мега-и макромира ученые исследовали мир молекул, атомов и их составных частей — микромир.

Первоначальные представления об атомах возникли примерно 2,5 тысячи лет назад. Они были умозрительны и основывались только на логических построениях философов Древней Греции. В XIX в. появились косвенные доказательства атомарного строения материи, которые базировались, в частности, на уникальных (но непрямых) экспериментах (рис. 40.3).

Рис. 40.3. Копия рисунка французского физика Жана Батиста Перрена (1870-1942), на котором воспроизведены результаты наблюдения в микроскоп броуновской частицы — мельчайшей частицы вещества, зависшей в жидкости. Броуновское движение частиц, вызванное хаотичными ударами по ним молекул, подтверждает атомарное строение материи

Только в конце XIX — начале XX в. появились неопровержимые доказательства атомно-ядерной структуры материи (рис. 40.4). С помощью новейших сверхчувствительных микроскопов, созданных в конце прошлого века (тоннельный, автоэлектронный, автоионный, электронный) (рис. 40.5), удалось сфотографировать отдельные атомы.

Знакомимся с развитием представлений о природе света

Со времен древнегреческого философа Аристотеля и до наших дней физическая наука стремится создать целостную картину мира. Исследователи всегда пытались найти единую теорию, которая описывала бы и мега-, и макро-, и микромир.

Первое «соединительное звено» появилось на рубеже XVII-XVIII вв. при изучении природы света. Почти одновременно два выдающихся физика создали две абсолютно разных теории света. Речь идет о корпускулярной теории И. Ньютона и волновой теории Х. Гюйгенса.

Согласно корпускулярной теории Ньютона

свет — это поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами, причем движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света Ньютон объяснял отражением корпускул от поверхности, на которую падает свет, а преломление света — изменением скорости движения корпускул в результате их взаимодействия с частицами среды.

«Трактат о свете» Гюйгенса, опубликованный в 1690 г., вошел в историю науки как первая научная работа по волновой оптике.

Волновую теорию света поддерживали такие выдающиеся ученые, как М. В. Ломоносов (1711-1765) и Л. Эйлер (1707-1783), однако до конца XVIII — начала XIX в. общепризнанной оставалась корпускулярная теория Ньютона. Так было до тех пор, пока не появились работы английского физика Томаса Юнга (1773-1829) и французского физика Огюстена Жана Френеля(1788-1827). Исследуя свет, ученые наблюдали явления, свойственные только волнам: огибание светом препятствий (дифракция), усиление и ослабление света при наложении световых пучков (интерференция). С того времени в науке стала преобладать волновая теория Гюйгенса.


В 60-х годах XIX в. Дж. Максвеллсоздал теорию электромагнитного поля, одним из следствий которой было установление возможности существования электромагнитных волн. По расчетам выходило, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света. На основе теоретических исследований Максвелл пришел к выводу, что свет — это электромагнитные волны. После опытов Г. Герцаникаких сомнений в электромагнитной природе светане осталось.

Электромагнитная теория света позволила объяснить многие оптические явления, но уже к концу XIX в. стало понятно, что этой теории недостаточно для объяснения явлений, возникающих при взаимодействии света с веществом. Так, процессы излучения и поглощения света, явление фотоэффекта и др. смогли объяснить только в первой половине XX в. — с позиций квантовой теории света, согласно которой свет излучается, распространяется и поглощается веществом не непрерывно, а конечными порциями — квантами. Каждый отдельный квант света имеет свойства частицы, а совокупность квантов ведет себя как волна. Такая двойственная природа света (да и любой частицы) получила название корпускулярно-волновой дуализм.

Таким образом, через несколько сотен лет две абсолютно разные теории «объединились». Параллельно появлялись и другие «соединительные звенья». Когда ученые начали изучать физические процессы, происходящие в звездах, оказалось, что «свечение» этих гигантских скоплений связано со структурой и свойствами наименьших из известных к тому времени объектов — атомных ядер. Так что гигантские ускорители, созданные для изучения микроструктуры материи, дали ответ не только на вопрос «Какова структура атомного ядра?», но и на другой: «Почему светит Солнце?».

Ученые уверены: еще больше загадок Вселенной будет разгадано после получения данных о свойствах элементарных частиц. С этой целью был создан мощнейший из ускорителей — большой адронный коллайдер(см. рис. 22.1). Он был запущен в 2008 г. усилиями ученых многих стран.

Подытоживаем роль физики в научно-техническом прогрессе

Научно-технический прогресс— это единое, взаимообусловленное, поступательное развитие науки и техники.

В курсе физики 9 класса, как и ранее, мы не раз обращали ваше внимание на тесную связь между физикой и техникой. Физическая наука

существует почти 25 веков, и результаты ее исследований были направлены не только на объяснение природы мироздания — ученые-физики всегда стремились научно обосновать применение различных технических устройств и приемов.

В Х1Х в. появилась новая тенденция: физические законы стали применять не только для объяснения и улучшения уже изобретенных инженерами конструкций — они стали «пищей для ума» в процессе создания новых направлений в технике. Приведем несколько примеров.

До Х1Х в. электричество служило в основном для салонных развлечений (рис. 40.6). Примерно в середине XIX в. благодаря установлению физических законов, описывающих возникновение, прохождение и действие электрического тока (закона Ома, закона электромагнитной индукции и др.), начинает развиваться телеграфная связь, а затем и телефонная. Изобретение и широкое распространение радио стали возможны после создания теории электромагнитного поля Максвелла.

В XIX в. установление новых физических законов происходило, как правило, случайно. Соответственно появление технических изобретений, связанных с этими законами, тоже было спонтанным, и только в ХХ в. этот процесс был несколько упорядочен. Целый ряд проектов (самый известный из них — «Урановый проект» — программа работ по созданию атомного оружия) осуществлялся по прямому заказу правительств стран. В рамках каждого проекта проводились научные исследования, по результатам которых выполнялись инженерные разработки (расчеты, изготовление конструкций).

Современный этап развития физики характеризуется ее тесной связью с производством и бизнесом. Для решения новой технической задачи привлекают не только инженеров, технологов, но и ученых. Пример результата такого сотрудничества — миниатюризация мобильных телефонов.

Физика повлияла и на развитие других наук. Прежде всего это связано с пониманием структуры материи, основанном на описании микромира с помощью квантовой механики. Так, применение квантовой механики позволило за короткий срок достичь существенного прогресса в развитии химии и биологии.

Практически все современные измерительные приборы и методы измерения, применяемые в астрономии, медицине, археологии и т. д., «выросли» из соответствующих законов физики.

Рис. 40.6. Опыт, демонстрирующий существование проводников и диэлектриков (гравюра середины XVIII в.). Женщина сидит на качелях, подвешенных на шелковых нитях. Мужчина, стоящий справа, приближает наэлектризованную стеклянную палочку к руке женщины, а стоящий слева прикасается к ее другой руке — появляется искра

Подводим итоги

Почти за 2500 лет своего существования физика смогла создать целостное представление о природе, объединяющее знания о мега-, макро- и микромире. Значительные усилия ученых-физиков были направлены также на практическое воплощение результатов своих исследований.

Начиная с Х1Х в. физики не только объясняют известные факты. Они устанавливают новые законы и, опираясь на них, развивают новые области техники.

Особенность современной физической науки — «заказы на разработку»: научные исследования в основном осуществляются для решения конкретных практических задач.

Результаты, полученные учеными-физиками, используются в других науках, в частности в биологии и химии. Физические приборы и методы исследований широко применяют в науке, промышленности, сельском хозяйстве.

Контрольные вопросы

1. С помощью каких приборов изучают мегамир? 2. Какие методы и приборы используют физики для изучения свойств атомов? 3. Каковы современные представления о природе света? 4. В чем сущность корпускулярно-волнового дуализма? 5. Приведите доказательства того, что знание закона Ома необходимо для инженеров.

Физика и техника в Украине

Борис Иеремиевич Веркин (1919-1990) — выдающийся украинский советский ученый в области физики низких температур, основатель и первый директор Физико-технического института низких температур АН УССР (г. Харьков).

Научные работы Б. И. Веркина посвящены исследованию природы магнитных свойств металлов, фундаментальной и прикладной сверхпроводимости, структуре материалов при низких температурах, свойствам криогенных кристаллов и жидкостей, молекулярной биофизике, поведению жидкости в условиях невесомости. Значителен вклад ученого в исследования космоса: при участии Б. И. Веркина был создан комплекс приборов, установленных на космических аппаратах «Венера-9», «Венера-10», «Салют-4» для имитации физических условий Луны, Марса и других планет.

В области криогенной медицины Б. И. Веркин разработал методы продолжительной низкотемпературной консервации клеток крови, тканей и костного мозга, а также криохирургические инструменты и аппараты для применения в дерматологии, гинекологии, стоматологии, нейрохирургии и других отраслях медицины.

Физико-техническому институту низких температур присвоено имя Б. И. Веркина. НАНУ основала премию им. Б. И. Веркина за выдающиеся научные работы в области физики и техники низких температур.

Освоение космоса

Первые шаги в космос

4 октября 1957 г. советские ученые вывели на околоземную орбиту первый искусственный спутник Земли, и это стало началом космической эры в истории человечества (рис. 1). После отделения спутника от ракеты-носителя радиопередатчик начал передавать первый искусственный сигнал из космоса — и этот сигнал услышал весь мир.

12 апреля 1961 г. человек впервые полетел в космос. Этот полет осуществил на космическом корабле «Восток» советский космонавт Юрий Алексеевич Гагарин (1934-1968) (на рис. 2 слева). «Восток» был разработан выдающимся конструктором Сергеем Павловичем Королевым (19071966) (на рис. 2 справа), уроженцем г. Житомира, выпускником Киевского политехнического института.

21 июля 1969 г. американские астронавты Нил Армстронг (19302012) и Базз (Эдвин) Олдрин (род. 1930) высадились на Луне (рис. 3). Сделав первый шаг по лунной поверхности, Н. Армстронг сказал: «Это маленький шаг для одного человека, однако огромный прыжок для всего человечества».

Проект «Розетта»

Идея проекта заключалась в том, чтобы посадить космический аппарат на комету. Космический зонд «Розетта», созданный специалистами Европейского космического агентства, был запущен в 2004 г. За десять лет он преодолел сотни миллионов километров и вышел на орбиту кометы размером менее 10 км (!). С «Розетты» был спущен аппарат «Филы», который 12 ноября 2014 г. совершил успешную посадку на поверхность кометы (рис. 4). Остается добавить, что «Розетта» исследовала комету Чурюмова — Герасименко, открытую в 1969 г. ученым из Украины Климом Ивановичем Чурюмовым (1937-2016).

1. Изучая раздел V, вы вспомнили основные понятия механики (механическое движение, траектория, путь, перемещение, система отсчета), узнали о равноускоренном прямолинейном движении, научились определять физические величины, характеризующие это движение.

равноускоренное прямолинейное движение

движение, при котором тело движется по прямолинейной траектории с неизменным по модулю и направлению ускорением

Физические величины

2. Вы изучили важнейшие законы динамики — законы Ньютона, научились различать инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

равноускоренное прямолинейное движение

Первый закон Ньютона

Второй закон Ньютона

Третий закон Ньютона

Существуют такие системы отсчета (инерциальные), относительно которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют никакие силы или если эти силы скомпенсированы

Ускорение, которое приобретает тело в результате действия силы, прямо пропорционально этой силе и обратно пропорционально массе тела:

Тела взаимодействуют друг с другом с силами, которые направлены вдоль одной прямой, равны по модулю и противоположны по направлению:

3. Вы углубили свои знания о гравитационном взаимодействии, изучили закон всемирного тяготения и получили формулу для определения силы тяжести.

ГРАВИТАЦИОННЫЕ СИЛЫ

Сила всемирного тяготения

Сила тяжести

4. Вы выяснили, что движение тела только под действием силы тяжести называют свободным падением, а ускорение, с которым движутся тела под действием силы тяжести, — ускорением свободного падения.

УСКОРЕНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ

5. Вы вспомнили закон сохранения механической энергии, ознакомились с законом сохранения импульса.

законы сохранения в механике


Закон сохранения импульса

Закон сохранения механической энергии

В замкнутой системе тел, которые взаимодействуют только силами упругости и силами тяготения, полная механическая энергия сохраняется:

В замкнутой системе тел векторная сумма импульсов тел остается неизменной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой:

6. Вы обобщили свои знания о фундаментальных взаимодействиях в природе, узнали о фундаментальном характере законов сохранения.

Задания 1-7 содержат только один правильный ответ.

1. (1 балл) Тело движется вдоль оси OX.

На рис. 1 приведен график зависимости проекции скорости движения этого тела от времени наблюдения. Какой участок графика соответствует равномерному движению тела?

а) участок AB; в) участок СD;

б) участок ВС; г) участки AB и СD.

2. (1 балл) Какая из представленных физических величин является скалярной?

а) ускорение; б) скорость движения; в) импульс; г) энергия.

3. (1 балл) С каким телом следует связать систему отсчета, чтобы она была инерциальной?

а) с поездом, набирающим скорость;

б) с девочкой, качающейся на качелях;

в) с мальчиком, идущим по дороге прямолинейно с неизменной скоростью;

г) с собакой, замедляющей свое движение.

4. (1 балл) Тело, брошенное вертикально вверх, движется только под действием силы тяжести. Ускорение движения тела:

а) наибольшее в момент начала движения;

б) одинаково в любой момент движения;

в) наименьшее в высшей точке траектории;

г) увеличивается во время падения.

5. (2 балла) С каким ускорением движется тело, если в течение 2 с скорость его движения увеличивается от 3 до 6 м/с?

а) 1,5 м/с2; б) 3 м/с2; в) 4,5 м/с2; г) 6 м/с2.

6. (2 балла) Автомобиль начинает движение и в течение 5 с движется с неизменным ускорением 4 м/с2. Определите перемещение автомобиля за это время.

а) 10 м; б) 20 м; в) 50 м; г) 100 м.

7. (2 балла) На рис. 2 изображены случаи взаимодействия двух тел. В каком случае систему тел нельзя считать замкнутой?

8. (3 балла) Тело массой 100 г движется под действием двух взаимно перпендикулярных сил значениями 6 и 8 Н. Найдите ускорение тела.

9. (3 балла) По графику на рис. 1 определите перемещение тела за все время наблюдения. Считайте, что в выбранной системе отсчета тело двигалось вдоль оси OX.

10. (3 балла) Тело бросили вертикально вверх со скоростью 30 м/с. Через какой интервал времени тело окажется на расстоянии 25 м от места броска? Какой будет скорость движения тела через этот интервал времени?

11. (3 балла) На полу лифта стоит чемодан массой 20 кг. Лифт приходит в движение с ускорением 2 м/с2. Чему равен вес чемодана? Рассмотрите два варианта.

12.(4 балла) Тело массой 2,5 кг движется вдоль оси OX. Уравнение движения тела имеет вид: x= 15 + 3t -12. Установите для данного случая соответствие между каждой физической величиной и ее значением в СИ.

1 Сила, действующая на тело А 0

2 Импульс тела на начало наблюдения Б 1,5

3 Кинетическая энергия тела через 1,5 с после В 4,5

начала наблюдения Г 5

4 Время движения тела до остановки Д 7,5

13. (4 балла) Брусок массой 500 г под действием подвешенного к нему груза массой 150 г начал движение и за 2 с переместился на 80 см (рис. 3). Определите коэффициент трения скольжения.

14. (4 балла) Из точки, расположенной на высоте 2,8 м над поверхностью земли, вертикально вверх бросили тело 1 со скоростью 12 м/с. В момент, когда тело 1 достигло наивысшей точки подъема, с поверхности земли со скоростью 10 м/с бросили вверх тело 2.

Определите высоту, на которой встретились тела, и время их встречи.

15. (4 балла) Воспользовавшись данными рис. 4, определите высоту h, на которую поднимутся два тела одинаковой массы после столкновения. Внутреннюю поверхность цилиндра считайте идеально гладкой.

Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Затем эту сумму разделите на три. Полученное число будет соответствовать уровню ваших учебных достижений.

Тренировочные тестовые задания с компьютерной проверкой вы найдете на электронном образовательном ресурсе «Интерактивное обучение».

Ориентировочные темы проектов

1. Законы сохранения в природе, технике, быту.

2. Физика в жизни современного человека.

3. Современное состояние физических исследований в Украине и мире.

4. Украина — космическая держава.

5. Применение закона сохранения импульса в технике.

Темы рефератов и сообщений

1. Роль законов Ньютона в развитии физики.

2. Сила тяжести на планетах Солнечной системы и их спутниках.

3. Существует ли центробежная сила.

4. Как движется тело, брошенное под углом к горизонту, если сопротивлением воздуха пренебречь нельзя.

5. Реактивное движение в природе.

6. История космонавтики.

7. Первый украинский космонавт.

8. Жизненный путь и научная деятельность С. П. Королева.

9. Международный космический проект «Галилео».

10. Законы сохранения во Вселенной.

11. Энергия физического вакуума.

12. Почему массу называют мерой энергии.

темы экспериментальных исследований

1. Экспериментальная проверка второго закона Ньютона.

2. Экспериментальная проверка третьего закона Ньютона.

3. Изучение условия равномерного прямолинейного движения тела под действием нескольких сил.

4. Сложение сил.

5. Изучение дальности полета тела.

6. Создание и наблюдение реактивного движения.

7. Исследование упругого и неупругого ударов.

8. Изготовление приборов, действие которых основано на законе сохранения энергии.

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.