05.09.2022
Уроки 1, 2
Тема 1. Світоглядний потенціал природничих наук. Роль фізичного та астрономічного знання в житті людини та суспільному розвитку. Початкові відомості про фундаментальні фізичні теорії як основу сучасної фізичної науки.
Тема 2. Астрономія як природнича наука. Основні етапи розвитку фізики та астрономії. Фізика як теоретична основа сучасної астрономії.
Завдання:
- Опрацювати теоретичний матеріал
- Записати конспект в зошит
- Дати письмово (в зошиті) відповіді на запитання (нище в тексті)
1. Світоглядний потенціал природничих наук
Усі науки, які вивчають явища природи, називають природничими.
Багаторічне вивчення різноманітних явищ природи привело вчених до ідеї про матеріальність навколишнього світу. Існує класичне визначення: «Матерія — це все те, що, діючи на наші органи чуття, створює відчуття». Отже, матерія є об’єктивна реальність, що існує поза нашою свідомістю і надана нам у відчутті. Все, що реально існує в природі (а не в нашому уявленні), матеріальне. В основі нашого уявлення про природу лежить матеріальний світогляд, що зумовлює потенціал природничих наук.
Матерія існує в двох видах: речовина (до 1%) і фізичне поле (більше 99%). Фізичне поле — це матеріальне середовище, за допомогою якого один об’єкт діє на інший. Існують такі види фізичних полів: гравітаційне, електромагнітне, ядерне, поле слабких сил тощо.
Вивчення навколишнього світу показало, що матерія постійно рухається. Під рухом розуміють будь-яку зміну взагалі. Існують такі види рухів: механічний, молекулярний, рух електромагнітних полів, ядерний тощо. Кожний вид руху вивчає відповідний розділ фізики: механіка вивчає механічний рух, молекулярна фізика і термодинаміка розглядає процеси, пов’язані зі зміною явищ у середовищі молекул, електродинаміка — процеси, пов’язані зі змінами електромагнітних полів, ядерна фізика — процеси, пов’язані зі зміною ядерних полів тощо.
Рух матерії також може змінювати свою форму, але сам рух матерії не створюється і не знищується. Це означає, що навколишній світ є матерія, яка вічно рухається і розвивається. Загальною мірою руху матерії в усіх її формах є енергія. Вічність руху матерії виражається головним законом фізики — законом збереження і перетворення енергії.
Можна також сказати, що найзагальнішими формами руху матерії є фізичні форми. До них належать:
✵ механічна;
✵ теплова;
✵ електромагнітна;
✵ внутрішньоатомна і внутрішньоядерна форми руху матерії.
— Сучасна фізика вивчає різні форми руху матерії, їхні взаємні перетворення, а також властивості речовини і поля.
2. Роль фізичного та астрономічного знання в житті людини та суспільного розвитку
Фізика і астрономія існують не як науки для науки. Життя вимагає від людини не стільки споглядання природи, скільки активного втручання у перебіг процесів природи з тим, щоб змінювати та розумно спрямовувати їх на користь людині. За висловом відомого фізика М. О. Умова (1846-1915), мета всіх наук природознавства полягає в тому, щоб установити владу людини над енергією, часом і простором. Фізика і астрономія займають чільне місце серед чисельних природничих наук й істотно впливають на розвиток виробничих сил і суспільства загалом.
Особливо життєздатним був, є і буде союз фізики і астрономії. Адже сучасна астрономія — це, по-перше, могутня світлоприймальна техніка, тобто телескопи з найрізноманітнішими різнорідними допоміжними приладами і світлореєструвальними пристроями, по-друге, вся сукупність законів і методів теоретичної фізики, установлених і опрацьованих за останні триста років. По- третє, складний і різноплановий математичний апарат в єдності з можливостями сучасної обчислювальної техніки.
Саме фізика допомогла астрономії стати особливо розвинутою наукою, включаючи в себе більше десяти окремих напрямів. Ось лише деякі з них: астронометрія вивчає положення небесних світил; небесна механіка вивчає динаміку руху небесних тіл; астрофізика займається фізичною природою, хімічним складом і внутрішньою будовою зір.
Існує багато причин, які зумовлюють могутній розвиток фізики. Найбільш важливими з них є дві. Перша — проста і звичайна практична потреба людини. Адже завжди так було і буде, що будь-яка наука пояснює людині, що їй потрібно робити і що буде в майбутньому. Про фізику і астрономію в цьому плані можна сказати багато. Адже, зокрема, саме фізика, в союзі з іншими науками зумовлює розвиток техніки. І друга, не менш важлива і проста причина невпинного прогресу цих двох взаємопов’язаних і взаємодоповнювальних наук — це постійне бажання людини максимально пізнати і вивчити для подальшого практичного використання закони існування і явища всього, що проходить на Землі і у всьому Всесвіті. Як бачимо, перша і друга причини невпинного гігантського розвитку союзу фізики й астрономії взаємопов’язані. Це — закономірно, адже будь-що в діяльності людини виходить з її потреб.
Ще варто сказати, що фізика - це така наука, яка суттєво зумовлює розвиток багатьох інших наук, зокрема хімії, біології, географії, медицини тощо. Адже не випадково існують фізична хімія, фізична географія, електрохімія, фізика напівпровідників, фізика низьких (чи високих) температур, фізика плазми тощо. А про астрономію годі й говорити, бо без фізики її, очевидно, просто б не було — астрономія зусібіч фізична!
3. Початкові відомості про фундаментальні фізичні теорії як основу сучасної фізичної науки
З нагромадженням експериментальних і теоретичних даних поступово вимальовувалась і формувалась велична і складна картина навколишнього світу загалом. Описати та критично і досконало охарактеризувати цю картину здатна, значною мірою, наука фізика — основа природознавства.
Як будь-яка інша, ця наука розвивалася поступово. Наукові пошуки і дослідження, проведені протягом багатьох століть, дали можливість І. Ньютону відкрити і сформулювати фундаментальні закони механіки — науки про механічний рух матеріальних тіл і взаємодію між ними. На той час закони Ньютона були такими всеосяжними, що лягли в основу побудови так званої механічної картини світу, за якою всі тіла мають складатися з абсолютно твердих частинок, що перебувають у безперервному русі. Тіла взаємодіють між собою за допомогою гравітаційних сил. Уся різноманітність навколишнього світу, за Ньютоном, полягала у відмінності руху частинок. Механічна картина світу панувала доти, доки Дж. Максвелл (1873) не сформулював рівняння, що описують закономірності електромагнітних явищ. Ці закономірності не можна було пояснити з погляду механіки Ньютона. На відміну від класичної механіки, де припускається, що тіла взаємодіють миттєво (теорія далекодії), теорія Максвелла твердила, що взаємодія відбувається зі скінченною швидкістю, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі, за допомогою електромагнітного поля (теорія близькодії). Створення спеціальної теорії відносності — нового вчення про простір і час — дало можливість повністю обґрунтувати електромагнітну теорію.
До складу всіх без винятку атомів належать електрично заряджені частинки. Це дає можливість за допомогою електромагнітної теорії пояснити природу сил, що діють усередині атомів, молекул, а отже, й макроскопічних тіл. Це положення покладено в основу створення електромагнітної картини світу, за якою всі явища, що відбуваються в навколишньому світі, намагаються пояснити за допомогою законів електродинаміки. Проте пояснити будову і рух матерії тільки електромагнітними взаємодіями не вдалося.
Подальший розвиток фізики показав, що, крім гравітаційної і електромагнітної, є й інші типи взаємодій. Перша половина ХХ ст. позначилась інтенсивними дослідженнями будови електронних оболонок атомів і тих закономірностей, які керують їхнім рухом у атомі. Це призвело до виникнення нової галузі фізики — квантової механіки. У квантовій механіці використовують поняття дуалізму: рухома матерія є водночас і речовиною, і полем, тобто має одночасно корпускулярні і хвильові властивості. У класичній фізиці розглядають окремо сукупність частинок або потік хвиль.
Розвиток ядерної фізики, відкриття частинок, дослідження їхніх властивостей і взаємоперетворень призвели до встановлення ще двох типів взаємодій, які назвалисильними і слабкими. Отже, сучасною фізичною картиною світу передбачено чотири типи взаємодії: сильна (ядерна), електромагнітна, слабка і гравітаційна. Сильна взаємодія забезпечує зв’язок нуклонів у ядрі. Слабка взаємодія проявляється в основному під час розпаду електромагнітних частинок. Отже, вчення про будову матерії тепер є атомістичним, квантовим, релятивістським. У ньому застосовують статистичні уявлення.
Здавалось би, що мимоволі може виникнути запитання: «Яка з вказаних взаємодій є найбільш сильною і яка найбільш слабкою і чи можна їх розмістити в порядку зростання?» У літературі інколи існують різні відповіді на це запитання. Проте, згідно з Р. Фейдманом, відповідь тут одна: «Ці сили настільки різної природи, що порівнювати їх просто некоректно. Адже не можна дати відповідь на таке, наприклад, запитання: «Що більше: 2 кілограми чи 5 кулонів?»».
Відповісти на запитання:
1. У чому сенс світоглядного потенціалу природничих наук?
2. Яка роль фізичних та астрономічних знань у житті людини та суспільного розвитку взагалі?
3. Які фундаментальні фізичні теорії є основою сучасної фізичної науки?
2. Астрономія як природнича наука
Астрономія перебуває в одному ряду з такими природничими науками, як хімія, біологія, географія тощо. Проте головний об’єкт її вивчення — Всесвіт, найбільш масштабний з усього відомого людству. Але фізичні закони, підкреслив І. Ньютон, справедливі як для всього Всесвіту, так і для окремих його частинок. Тож, очевидно, не випадково, що «мікро» схоже на «макро», тобто згідно з теорією Е. Резерфорда, планетарна модель атома схожа в принципі на будову Сонячної системи. При цьому як в атомі, так і в Сонячній системі переважну частину об’єму (до 99 %) займає фізичне поле як один з видів матерії. Різниця хіба що в тому, що в атомі це поле — переважно електромагнітне, а в Сонячній системі — переважно гравітаційне. Але ж принцип опису будь-яких фізичних полів у фізиці єдиний.
Варто також відзначити, що астрономія, відіграючи величезну світоглядну роль, займає важливе місце в духовному житті людства. Ось що сто років назад писав французький фізик, математик і філософ А. Пуанкаре: «Астрономія корисна тому, що вона підіймає нас над нами самими; вона корисна тому, що велична; вона корисна тому, що прекрасна. Саме вона показує нам, яка нікчемна людина тілом і яка вона велична духом, адже її розум здатний осягнути сяйливі безодні, де тіло — лише темна точка; здатен насолоджуватися їхньою безмовною гармонією. Так приходимо ми до усвідомлення своєї могутності, і це усвідомлення ...робить нас сильнішими».
2. Основні етапи розвитку фізики та астрономії
1) Фізики і астрономи Стародавньої Греції
Величезне значення для установлення фізичних та астрономічних понять і закономірностей мали мислителі Стародавньої Греції: Арістотель, Архімед, Аристарх Самосський, Демокрит, Левкіпп, Піфагор, Птоломей, Евклід. Вони заклали елементи наукових уявлень про фізичні властивості навколишнього світу.
Арістотель (384-322 рр. до н. е.) увійшов в історію науки як учений, який узагальнив і систематизував знання в галузі суспільних і природничих наук свого часу. Його твердження включно до XVI ст. вважали «беззаперечною істиною». Арістотель перший сформулював поняття стану тіла в механіці (визначення стану тіла в просторі — координати тіла); ввів правила додавання паралельних і перпендикулярних зміщень (елементи векторного додавання), а також правила рівноваги важеля. Арістотелю також належить наукове пояснення поширення звуку в просторі, що здійснюється чергуванням областей стискання і розрідження повітря. Це уявлення про механізм звукових хвиль збереглося і в сучасній фізиці.
Демокриту і Левкіппу (V ст. до н. е.) належить ідея про атомарну будову матерії. При цьому експериментальне підтвердження ця ідея отримала лише на початку ХХ ст.
Видатним астрономом Стародавньої Греції був Аристарх Самосський (кін. IV-ІІІ ст. до н. е.). Задовго до польського вченого Миколи Коперника (1473-1543) він висунув ідею геліоцентричної будови світу (від грецьк. Неlios — Сонце), згідно з якою в центрі світоутворення перебуває нерухоме Сонце, а навколо нього обертаються планети.
Геніальність Самосського і Коперника в їхній геліоцентричній системі світу полягає в тому, що вчені зруйнували межу між небом і Землею, а Коперник до того ж висунув гіпотезу, що у Всесвіті діють одні й ті ж закони, справедливі як на Землі, так і в космосі.
2) Початок НОВОЇ ери у фізиці
Видатним фізиком і астрономом XVII ст., безумовно, є Галілео Галілей (1564-1642). Його справедливо вважають засновником експериментальної фізики. Він вперше (1609 р.) використав телескоп для спостереження за небесними світилами і відкрив супутник Юпітера та побачив зорі в Чумацькому Шляху.XVII ст. в історії фізики та астрономії пов’язане з іменем англійського вченого Ісака Ньютона (1643-1727), який відкрив основні закони механіки та закон всесвітнього тяжіння. Величезна заслуга Ньютона полягає в тому, що він довів універсальність і єдність сили тяжіння, або гравітації. Це значить, що сила, яка діє на яблуко під час його падіння на Землю, і сила, що притягує Місяць, який обертається навколо Землі, мають одну і ту саму гравітаційну природу. Саме сила тяжіння керує рухом зір і галактик, а також зумовлює еволюцію цілого Всесвіту.
3) Вчення про електрику і магнетизм
У створення сучасної науки про електричні і магнітні явища визначний внесок зробили французькі фізики Шарль Кулон (1736-1806) і Андре Ампер (1775-1836), данський фізик Ханс Ерстед (1777-1851), англійські фізики Майкл Фарадей (1791-1867) і Джеймс Максвелл (1831-1879).
ХХ століття стало часом тріумфального входження електромагнетизму в інженерну практику і в життя суспільства. Електродвигуни найрізноманітніших модифікацій і потужностей, телебачення, комп’ютери, сучасні засоби зв’язку тощо надійно і безповоротно ввійшли в наше повсякденне життя.
4) Вчення про теплові двигуни
З XVIII ст. стала бурхливо розвиватися галузь фізики, пов’язана з використанням теплових двигунів. Її розвиток найбільше зумовили дві події. Перша — створення англійським інженером Джеймсом Ваттом (1739-1815) теплової машини. Друга подія — вихід у світ роботи французького інженера і фізика Саді Карно (1796-1832) «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу». Вчений провів аналіз наявних на той час парових машин і визначив умови, за яких ККД машин досягав максимального значення. (Тоді ККД машин був не більше 2%, а нині сягає 60% на парогазових пристроях.)
5) Розвиток фізики і астрономії В ХІХ-ХХ століттях
В XIX столітті, завдячуючи фізиці, почався новий етап у вивченні космосу, коли 1814 р. німецький фізик Й. Фраунгофер відкрив лінії поглинання у спектрі Сонця — фраунгоферові лінії. Потім лінії поглинання були виявлені у спектрах інших зір. Саме за допомогою цих спектрів астрономи визначають хімічний склад, температуру і навіть швидкість руху космічних тіл.
1889 р. російський фізик і електромеханік О. С. Попов (1859-1905) висловив думку про те, що електромагнітні хвилі можна використовувати для передання інформації. А от сьогодні електромагнітні хвилі — основний передавач інформації; за їх допомогою здійснюються радіо- і телепередачі, в тому числі і космічний зв’язок. Сьогодні на основі їх використання працює мобільний зв’язок та Інтернет.
Вивчення електричних властивостей р-п-переходу — місця контакту двох напівпровідників р- і n-типу привело до створення 1947 року транзисторів. Буквально за декілька років транзистори, як і напівпровідникові діоди, стали основними елементами всіх радіопристроїв. Сьогодні вони — основа інтегральних схем, без яких, зокрема, сучасний мобільний зв’язок був би нездійсненний.
В 50-х роках XX ст. було відкрито лазерне випромінювання. Нині важко назвати таку галузь техніки і медицини, де б не використовували лазери.
1938 р. було відкрито явище поділу ядер Урану з виділенням енергії. А вже 1942 р. було запущено в експлуатацію перший ядерний реактор, у якому використали ланцюгову ядерну реакцію. Наразі у світі експлуатується близько 400 ядерних реакторів, на яких виробляється понад 6% всієї електроенергії. А наявність ядерної зброї в будь-якої держави говорить нині про її належну військову, а отже, й політичну міцність.
Перелік досягнень фізики і астрономії можна продовжувати безкінечно, тому зупинімося на найбільш важливих.
3. Фізика як основа сучасної астрономії
Фізика не лише створює спеціальні пристрої, як-от, наприклад, телескопи та радіотелескопи, а саме завдяки їй будуються спеціальні космічні апарати для вивчення Всесвіту. Ця наука для астрономії значить ще більше. Так, створена в ХХ ст. видатним німецьким фізиком Альбертом Ейнштейном загальна теорія відносності допомогла астрономам збагнути дивне червоне зміщення ліній поглинання у спектрах далеких галактик, що відкрив американський астроном Едвін Габбл 1929 р. Габбл довів, що галактики розлітаються, і пізніше вчені створили теорію еволюції Всесвіту від його зародження до сьогодення. Це дало поштовх до створення нової науки — космології.
4 жовтня 1957 р. почалася ера космонавтики. Цього дня у Радянському Союзі було запущено у космос перший у світі штучний супутник Землі. У його створенні брали участь також українські вчені, інженери та робітники. Так, зокрема, основну частину радіотехнічного обладнання супутника розробили і виготовили на спеціальних підприємствах міста Харків.
Сьогодні в космосі літають сотні автоматичних станцій, які досліджують не тільки навколоземний простір, але й вивчають інші планети Сонячної системи.
Перспективи фізики й астрономії у вивченні Всесвіту — безмежні.
Відповісти на запитання:
1. Як пояснити, що астрономія є природничою наукою?
2. Назвіть і коротко схарактеризуйте основні етапи розвитку фізики й астрономії.
3. Як пояснити, що фізика є основою сучасної астрономії?
Немає коментарів:
Дописати коментар