28.09.2022
Уроки 2, 3
Тема 1. 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)
- Переглянути відеоурок
- Будьте ласкаві, пройдіть тести для діагностичної контрольної роботи, хто не пройшов
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?
Тема 2. Механічний рух. Основна задача механіки та способи опису руху тіла.
Розділ 1. Механіка
Перше, що впадає у вічі під час спостереження навколишнього світу, — його мінливість. Рухаються люди й автомобілі, хмари, зорі та Місяць, листя на деревах і краплини дощу. Рухаються також кров у судинах, сік у рослинах, вода у річках.
Характерною особливістю всіх цих явищ і процесів є зміна положення предметів (фізичних тіл) один відносно одного і відносно Землі з плином часу. Чи йде пішохід, чи пролітає літак — їх положення відносно Землі з часом змінюється.
Спостерігаючи природні явища, людина з давніх часів намагалася збагнути, що «рухає» Землю та світила. Якщо рух тіл на Землі досить очевидний, то пояснити рух небесних тіл було складніше. Відповіді на ці питання дає механіка — розділ фізики, в якому вивчаються рух і взаємодія тіл.
Механіка — одна з найдавніших наук про природу, наукові основи якої було закладено видатним італійським ученим Галілео Галілеєм (1564-1642) та розвинуто Ісааком Ньютоном (1642-1727). Основне завдання механіки полягає у визначені положення тіла (координати) відносно інших тіл у будь-який момент часу. Вивчити рух тіла означає встановити, як змінюється його положення в просторі з плином часу.
У свою чергу, механіка поділяється на кінематику (вивчає рух тіл, без урахування їх взаємодії, чинників, що його зумовлюють), динаміку (встановлює зв’язки між кінематичними характеристиками руху і чинниками, що його зумовлюють, тобто закони руху) та статику (розглядає умови рівноваги тіл).
У механіці є фізичні величини, що характеризують рух і зберігаються за певних умов. Такими величинами є імпульс та енергія. Властивість імпульсу та енергії зберігатися є одним із фундаментальних законів природи.
Механічний рух. Основна задача механіки
- Механічний рух та його види
- Відносність механічного руху
- Основна задача механіки
МЕХАНІЧНИЙ РУХ ТА ЙОГО ВИДИ. Ви вже знаєте, що невід’ємною формою існування матерії у Всесвіті є рух. Земля обертається навколо власної осі та навколо Сонця, яке, у свою чергу, разом із усіма тілами Сонячної системи рухається навколо центру Галактики. Частина речовини, яка має певну форму та об’єм (Земля, Сонце, планети, рослини, тварини), усе, що нас оточує, і, нарешті, ми самі — називається фізичними тілами.
Механічним рухом називають зміну просторового положення тіла відносно інших тіл з плином часу.
Найпростішим його видом є поступальний рух, під час якого всі точки тіла рухаються однаково, а будь-яка подумки проведена в ньому пряма, залишається паралельною самою собі.
Траєкторією називають лінію, вздовж якої рухається тіло (точка).
За її виглядом механічні рухи поділяють на прямолінійні (траєкторія — пряма лінія) й криволінійні (траєкторія — крива лінія).
Кожне тіло має певні розміри, а отже, різні його точки перебувають одночасно в різних місцях простору. Як визначити положення всього тіла? Загалом це зробити складно. У багатьох задачах при дослідженні руху тіла можна обмежити описом руху лише однієї його точки. Тоді рухоме тіло подумки замінюють однією точкою (ідея І. Ньютона).
Тіло, розмірами якого за певних умов руху можна знехтувати, називають матеріальною точкою.
Матеріальна точка є найпростішою моделлю тіла, використання якої спрощує опис механічного руху і надає можливість застосовувати відповідний математичний апарат.
Будь-яке тіло, якщо розміри його важливі, в механіці поділяють на сукупність матеріальних точок і вивчають рух кожної з них, а потім здійснюють потрібні узагальнення.
Коли ж тіло можна вважати матеріальною точкою? Чи можна тіло вважати матеріальною точкою, залежить не від його розмірів («велике» воно чи «мале»), а від поставленої задачі. Одне й те ж тіло, наприклад, літак чи Земля, в одних задачах може розглядатись як матеріальна точка, в інших — ні.
Тіло можна вважати матеріальною точкою, якщо виконується хоча б одна з таких умов:
— розміри тіла малі порівняно з пройденою відстанню;
— усі точки тіла рухаються однаково, тобто воно здійснює поступальний рух·
ВІДНОСНІСТЬ МЕХАНІЧНОГО РУХУ. Щоб охарактеризувати зміну положення тіла в просторі, потрібно обрати тіло, відносно якого розглядається цей рух. Таке тіло називають тілом відліку. За тіло відліку зазвичай приймають таке, яке жорстко пов’язане із Землею (будинок, дерево, залізничні колії, причал тощо). Рух планет, наприклад, розглядають відносно Сонця, а не Землі чи іншої планети. З метою визначення місця розташування об’єкта (матеріальної точки) з тілом відліку пов’язують систему координат.
З метою повної характеристики руху слід вибрати ще й засіб і спосіб вимірювання часу, наприклад, годинник, нерухомий відносно тіла відліку (мал. 3.1).
Тіло відліку, систему координат і вибраний спосіб вимірювання часу, які пов’язані з тілом, називають системою відліку.
Мал. 3.1. Система відліку
Положення тіла у просторі визначається у будь-який момент часу трьома координатами: х = f(t); у = f(t); z = f(t). Знання залежності координати тіла від часу (рівняння руху) дає змогу визначити час і місцезнаходження тіла.
Просторове положення тіла можна одночасно розглядати в різних системах координат, відносно яких воно буде різним. Наприклад, нерухома людина знаходиться на платформі і спостерігає за тілом, що лежить на ній (мал. 3.2).
Мал. 3.2. Відносність руху
Пов’яжемо із платформою систему відліку ΧΟΥ. Для спостерігача на платформі тіло перебуває в стані спокою. Водночас для спостерігача, що знаходитися біля платформи (система X1O1Y1), — тіло рухається. Отже, одне й те ж тіло у різних системах відліку рухається по-різному. В одній системі (ΧΟΥ) воно перебуває у стані спокою, а в іншій (X1О1Y1) — рухається. Тому у фізиці говорять про відносність механічного руху і його завжди розглядають у певній системі відліку, від вибору якої залежить і вигляд траєкторії руху тіла.
На мал. 3.3 зображено траєкторії руху Місяця в гео- та геліоцентричній системах відліку.
Мал. 3.3. Траєкторія руху Місяця: а) відносно Землі (геоцентрична система відліку); б) відносно Сонця (геліоцентрична система відліку)
ОСНОВНА ЗАДАЧА МЕХАНІКИ. Так, астрономи, користуючись законами механіки, можуть точно обчислювати координати небесних тіл у будь-який момент часу. Тому вони передбачають такі явища, як, наприклад, сонячні та місячні затемнення.
Основна задача механіки — визначення положення (координати) тіла у будь-який момент часу.
Застосування законів механіки дає змогу визначити положення тіл не лише в майбутньому, а й у минулому. Наприклад, визначити точну дату початку походу князя Ігоря проти половців історикам допомогли астрономи: оскільки в «Слові о полку Ігоревім», в якому описано цей похід, зазначено, що перед вступом Ігоря на землю Половецьку відбулося повне сонячне затемнення. За цим астрономічним явищем можна встановити, що подія відбулася у травні 1185 р.
Учені, що запускають ракету-носій штучного супутника Землі, користуються законами механіки, аби передбачити, де перебуватиме супутник у будь-який момент часу. Це є обов’язковою умовою, наприклад, успішного стикування супутників, запущених із різних континентів, здійснення посадок на поверхні Місяця, Марса чи Венери.
Щоб влучити в ціль, траєкторію артилерійського снаряда розраховують за законами механіки. Крім того, за допомогою законів класичної механіки можна обчислити швидкість тіл, період їх обертання, гальмівний шлях транспортних засобів і виконати багато інших завдань.
Головне в цьому параграфі
Механіка — це розділ фізики, в якому вивчаються рух і взаємодія тіл.
Механічним рухом називають зміну просторового положення тіла відносно інших з плином часу.
Траєкторією руху називають лінію, вздовж якої рухається тіло.
Тіло, розмірами якого за певних умов руху можна знехтувати, називають матеріальною точкою.
Тіло відліку, систему координат і вибраний спосіб вимірювання часу, які пов’язані з тілом, називають системою відліку.
Рух завжди розглядають відносно певної системи відліку, тому говорять, що механічний рух є відносним, так само як і стан спокою.
Запитання для самоперевірки
- 1. Що таке механічний рух?
- 2. Що таке траєкторія?
- 3. На які види поділяють рухи залежно від траєкторії?
- 4. Що розуміють під матеріальною точкою?
- 5. Коли тіло можна вважати матеріальною точкою, а коли — ні? Наведіть приклади.
- 6. Що називають системою відліку? З чого вона складається?
- 7. У чому полягає відносність руху?
- 8. У чому полягає основна задача механіки?
Немає коментарів:
Дописати коментар