УРОК 1-2 Зародження й розвиток фізики як науки. Роль фізичного знання в житті людини й суспільному розвитку. - презентация

1 УРОК 1-2 Зародження й розвиток фізики як науки. Роль фізичного знання в житті людини й суспільному розвитку

2 ЦЕЛЬ УРОКА: РАЗВИВАТЬ ЗНАНИЯ УЧАЩИХСЯ О ЗАРОЖДЕНИИ И РАЗВИТИИ ФИЗИКИ КАК НАУКИ,О РОЛИ ФИЗИЧЕСКОГО ЗНАНИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА И СОВРЕМЕННОГО ОБЩЕСТВА, ИЗУЧИТЬ ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ, ПОНЯТЬ СУТЬ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ, ПОЯСНИТЬ РОЛЬ ФИЗИЧЕСКОГО ЗНАНИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА И УВОБЩЕСТВЕННОМРАЗВИТИИ

3 Учні : знають основні етапи розвитку фізики як науки, основні одиниці СІ. розуміють фізичний зміст похідної, сутність фізичної моделі; здатні пояснити роль фізичного знання в житті людини й суспільному розвитку;

4 ЗАРОДЖЕННЯ І РОЗВИТОК ФІЗИКИ ЯК НАУКИ Народи Вавилонії, Єгипту, Ассірії, Індії, Китаю за багато років нагромадили значний запас природничо-наукових і технічних знань. Свідченням цього є величні споруди Вавилона, унікальні єгипетські піраміди, іригаційні системи, різного роду військові колісниці, метальні машини і пристрої. Новий етап у розвитку науки починається з середини І тисячоліття до нашої ери, коли на історичну арену виходить Стародавня Греція. Родоначальником першої грецької філософської школи був Фалес із Мілета (бл до н.е.), якого називали одним із семи мудреців стародавніх часів. Від нього беруть початок наші знання з електрики й магнетизму. Він описав властивості натертого бурштину (янтарю) притягати легкі тіла, а магніту залізо. Його наступником був Анаксімандр ( до н.е.), який висловив думку про єдність матеріального світу. Геракліт з Ефеса ( до н.е.) стверджував, що все існує і у той же час не існує, бо все тече. Піфагорійці «надали геометрії характеру справжньої науки». Ксено-фан ( до н.е.), Парменід (V ст. до н.е.), Зенон (V ст. до н.е.) стверджували єдність світу, але разом з тим проголосили тезу про незмінність і нерухомість усього існуючого.

5 Проти рухомості особливо відомі висловлювання Зенона. Демокріт ( до н.е.) перший з наївно матеріалістичних позицій пояснив, що всі тіла складаються з найдрібніших матеріальних частинок атомів, що немає нічого, крім атомів і пустоти. Основна теза Демокріта вічність і незнищуваність матерії. Епікур ( до н.е.) стверджував, що всі тіла складаються з неподільних, щільних частинок, які розрізняються формою, вагою, величиною. Він також визнавав існування атомів і пустоти, стверджував вічність матерії. Епікур узагальнив усі наукові досягнення свого часу і виклав їх у таких творах, як «Фізика», «Метафізика», «Метеорологія» тощо. Значний внесок у розвиток механікизробив Арістотель. Він не тільки дав означення механіки як науки, а й детально вивчав розбіжності тиску й удару, зробив важливий внесок у розв'язок задачі про важіль, увів поняття про два роди рухів природні й вимушені, дав класифікацію руху тіл. Архімед (бл до н.е.) у дослідженнях значну увагу приділяв статиці.

6 У XIII ст. з'явився провісник нової експериментальної науки Роджер Бекон ( ), який стверджував, що істинне знання здобувається дослідно; сам багато експериментував, зокрема дізнався про склад пороху, досліджував властивості пари, винайшов способи одержання у чистому виді фосфору, магнію, вісмуту тощо. Микола Кузанський ( ) висловив думку про матеріальну єдність світу. Йому належать відомі досліди з вимірювання часу падіння різних тіл: дерева, каміння, свинцевої кулі тощо. Леонардо да Вінчі ( ) вважав найправильнішим дослідне вивчення природи, стверджуючи, що дослід був учителем тих, хто добре писав, і що мудрість дочка досліду, бо тільки ґрунтуючись на ньому, можна дістати позитивні результати у дослідженні природи. Міколай Копернік ( ) у своїх працях не лише відкинув систему світу Птолемея, а й запропонував нову, геліоцентричну систему. З цього часу розпочалася наукова революція у природознавстві. Галілео Галілей ( ), досліджуючи падіння різноманітних тіл, відкинув хибне твердження Арістотеля про залежність швидкості падіння тіл від їхньої ваги, доповнив і розвинув далі вчення Арістотеля про рух і розробив основи динаміки. Френсіс Бекон ( ) виклав основний метод пізнання природи метод індукції. Він приділив велику увагу питанню експерименту як абсолютно необхідній умові при виченні природи. Рене Декарт ( ) дав чітке формулювання закону інерції і багато уваги приділив визначенню таких важливих понять, як маса, сила, тиск, удар тощо. Він вперше увів поняття про закон збереження кількості руху і сформулюв його: «...коли одне тіло зіштовхується з іншим, воно не може надати йому ніякого іншого руху крім того, що втрачає під час цього зіштовхування, як не може і відняти у нього більше, ніж одночасно придбати собі».

7 Даниїл Бернуллі ( ) вважається одним із найвидатніших фізиків і математиків свого часу. Так, Паризька академія десять разів присуджувала премії Д. Бернуллі за кращі дослідження з проблем математики і фізики. Л. Ейлер ( ) написав понад 860 праць, які становлять більше ніж 40 тис. друкованих сторінок. У 1736 р. у Петербурзі вийшла книга «Механіка, або наука про рух, викладена аналітично», яка стала важливою віхою у розвитку фізики. Ж. Даламбер ( ) сформулював загальний принцип динаміки системи так званий принцип Д'Аламбера, за яким рух системи точок відбувається так, що в кожний момент часу втрачені сили й сили (зв'язків) взаємно врівноважуються. Ж. Ла- гранж ( ) остаточно затвердив нові аналітичні методи у механіці і створив аналітичну динаміку системи матеріальних точок. М. В. Ломоносов ( ) уперше розробив основи молекулярно-кінетичної теорії, пояснив природу теплоти, сформулював закон збереження руху і матерії тощо.

8 Д. Фаренгейт ( ) у 1709 р. виготовив спиртові термометри, а в рр. створив перші ртутні термометри з основними точками 0о і 212о. Р. Реомюр ( ) описав винайдений ним спиртовий термометр, шкала якого між точкою танення льоду (взятої ним за 80о) і точкою кипіння води (0о) була поділена на 80 рівних частин, А. Цельсій ( ) запропонував у 1742 р. термометричну шкалу з основними точками 0о і 100о. Г. Ріхман ( ) виконав важливі експериментальні дослідження з визначення впливу температури, форми і поверхні тіл та швидкості руху охолоджувального середовища на теплообмін, обґрунтував закон охолодження тіла, дослідив процеси випаровування залежно від стану середовища, температури. А. Лавуазьє ( ) і П. Лап-лас ( ) у 1783 р. запропонували калориметричний метод вимірювання теплоємностей тіл і у праці «Мемуари про теплоту» описа- Саді Ка,рно ли сконструйований ними калориметр.

9 Створені в кінці XVII на початку XVIII ст. (в 1690 р. французьким фізиком Д. Папеном ( ), у 1698 р. англійським інженером Т. Се-вері ( ) і, нарешті, у 1705 р. англійським винахідником Т. Нью-коменом ( )) вогнедіючі пароатмосферні машини не могли задовольнити потреби суспільства через свою технічну недосконалість. У цих машинах парові двигуни були зроблені у комбінації з водяними колесами, які відігравали роль передавального механізму; вони були надто громіздкі, неекономічні і використовувалися лише для відкачування води з шахт. Першу парову машину універсальної дії, яка забезпечила практичне застосування теплоти для механічних потреб, сконструював видатний російський теплотехнік 1.1. Ползунов ( ). У 1784 р. універсальну парову машину розробив англійський винахідник Д. Уатт ( ), який вперше застосував у ній відцентровий регулятор з дросельною заслінкою для підтримування сталої кількості обертів вала. Універсальна машина Уатта завдяки значній економічності почала широко використовуватися. Виникнення термодинаміки було тісно пов'язане з практичними вимогами знайти раціональні основи для будівництва теплових двигунів. Вивчення робочих циклів теплових машин бере свій початок від 20-х років XIX ст., тобто з часу виходу в світ теоретичної праці молодого французького інженера С. Карно ( ) «Міркування про рушійну силу вогню і про машини, що здатні розвивати цю силу» (1824).

10 Праці С. Карно відіграли важливу роль у розвитку наукових основ теплотехніки. Стало зрозумілим, що для підвищення ККД теплових машин важливо йти шляхом розширення температурних меж, між якими проходить цикл робочого тіла, тоді як заміна одного робочого тіла іншим сама по собі не може дати ніякої користі. Карно не зміг узагальнити елементарне формулювання другого начала термодинаміки на довільний оборотний коловий процес. Це зробили пізніше Р. Клаузіус ( ) і У. Томсон ( ). Дослідження С. Карно були продовжені в 1834 р. французьким інженером і фізиком П. Клапейроном ( ), який застосував графічний метод так званий метод індикаторних діаграм для графічного зображення робочих циклів. У 1834 р. Клапейрон вивів рівняння стану ідеального газу. Це рівняння узагальнив у 1874 р. Д. І. Менделєєв, який увів поняття універсальної газової сталої, розкрив її фізичну суть і записав рівняння стану ідеального газу для будь-якої маси. Це рівняння було назване рівнянням КлапейронаМенделєєва.

11 Слід зауважити, що у першій чверті XIX ст. були встановлені, переважно дослідно, основні газові закони і запроваджені такі важливі поняття, як газова стала, питомі теплоємності газів, парціальний тиск газу тощо. У 1802 р. французький фізик Ж. Гей- Люссак ( ) відкрив закон. Паралельно з цими дослідженнями французький фізик Ж. Шарль ( ) установив зв'язок між тиском газу, який займає сталий об'єм, і його температурою. Із закону Шарля неважко встановити існування температури, при якій майже припиняється рух молекул і яка дістала назву «абсолютного нуля». Абсолютний нуль, як відомо, лежить на 273,16о нижче від 0о за шкалою Цельсія, і на його основі запроваджено нову шкалу температур, так звану абсолютну шкалу Кельвіна. У 1811 р. італійський фізик А. Авогадро ( ) сформулював важливе для фізики твердження, яке було назване законом Авогадро. 40-і роки XIX ст. посідають особливе місце в розвитку термодинаміки: вони ознаменовані цілою низкою фундаментальних досліджень, які привели до остаточного визначення першого начала термодинаміки. Г. І. Гесс ( ) вивів важливий закон, згідно з яким тепловий ефект будь-якої хімічної реакції не залежить від шляху (проміжних стадій), а залежить тільки від вихідного і кінцевого станів системи. Дослідженнями, в яких був сформульований принцип еквівалентності теплоти і роботи у зв'язку із загальною ідеєю про взаємоперетворюваність різних форм енергії, були праці німецького вченого Р. Майєра ( ) «Про кількісне і якісне визначення сил» (1841) та «Замітки про сили неживої природи» (1842).

12 У 1843 р. російський фізик Е. X. Ленц опублікував працю «Про закони виділення теплоти гальванічним струмом». англійський фізик Дж. Джоуль ( ) видав працю «Про тепловий ефект електромагнетизму і величину роботи теплоти», в яких було встановлено закон теплової дії електричного струму. Джоуль здійснив серію експериментів для визначення механічного еквівалента теплоти за допомогою механічної роботи сил тертя і визначив його числове значення. У 1847 р. видатний німецький природодослідник Г. Гельмгольц ( ) написав працю «Про збереження сил», в якій закон збереження і перетворення енергії набув строгої математичної форми. У. Томсон ( ) поширив принцип Карно для процесів, які відбуваються в теплових машинах, на довільні явища, що пов'язані з тепловим рухом у макроскопічних тілах.

13 ЗАРОДЖЕННЯ І РОЗВИТОК ФІЗИКИ ЯК НАУКИ. Нещодавно люди навіть мріяти не могли про ті блага, що мають сьогодні. Наприклад, ще у XVIII ст. освітлення будинків здійснювалося за допомогою свічок, скіп і газових пальників, листи йшли до адресатів тижнями і т. д. Зараз же завдяки Інтернету й радіозв'язку можна протягом декількох секунд зв'язатися зі своїм адресатом на будь-якому континенті. Сьогодні наука, у тому числі фізика, реальна основа розвитку суспільства й створення нового рівня добробуту людства. Досить згадати численні електроприлади, аудіо- та відеотехніку, автомобілі, комп'ютери тощо. А ще новітні технології одержування енергії, створення матеріалів із заданими властивостями, досягнення радіотехніки, авіації, космонавтики, мореплавства. Сучасні економісти цілком слушно вважають, що головне багатство країни це знання, якими володіє її населення. Простежимо, як накопичувалися фізичні знання на деяких етапах розвитку людства.

14 Фізики й астрономи стародавньої Греції Найбільший вплив на встановлення фізичних понять і закономірностей здійснили мислителі Стародавньої Греції: Аристотель, Архімед, Аристарх Самоський, Демокрит, Левкіпп, Піфагор, Птоле-мей, Евклід. Вони заклали елементи наукових уявлень про фізичні властивості навколишнього світу. Аристотель ( рр. до н. е.) увійшов в історію науки як учений, що узагальнив та систематизував знання в галузі суспільних і природничих наук свого часу. Його роботи аж до XVI ст. вважалися «істиною в останній інстанції». Аристотель перший сформулював поняття стану тіла в механіці, який, на його думку, визначається положенням тіла в просторі (координатами тіла); вивів правила додавання паралельних і перпендикулярних одне до одного переміщень (елементи векторного додавання), а також правило рівноваги важеля. Аристотелю також належить наукова картина поширення звуку в повітрі, яке він пояснював чергуванням областей стиснення і розрідження повітря. Це уявлення про звукові хвилі збереглось і в сучасній фізиці.

15

16 Демокриту й Левкіппу (V ст. до н. е.) належить дуже важлива ідея про атомну будову матерії. До речі, експериментально підтверджено цю ідею було тільки на початку XX ст. Видатним астрономом Стародавньої Греції був Аристарх Самоський (кін. IV перша пол. III ст. до н. е.). Задовго до польського вченого Миколая Коперника ( ) він висунув ідею геліоцентричної будови світу (від грецьк. Неііоз Сонце), відповідно до якої в центрі всесвіту розташоване нерухоме Сонце, а довкола нього обертаються планети. Евклід (III ст. до н. е.) заклав основи геометричної оптики, сформулював закон прямолінійного поширення світла та закон відбиття світла (кут відбиття дорівнює куту падіння). Величезний внесок у розвиток фізики зробив Архімед (бл рр. до н. е.) видатний фізик, механік, математик, інженер. Зокрема, він запровадив поняття центра тяжіння, побудував теорію рівноваги важеля, дав означення моменту сил, експериментально визначив закони плавання тіл. м початок нової ери у фізиці Видатним фізиком XVII ст., безперечно, є Ґалі-лео Ґалілей (рис. 1.1). Його справедливо вважають засновником експериментальної фізики. Водночас Ґалілей великого значення надавав використанню у фізичних дослідженнях математики: «Той, хто хоче розв'язувати питання природничих наук без допомоги математики, ставить нерозв'язне завдання. Слід вимірювати те, що можна виміряти, і робити вимірюваним те, що таким не є». Своїми експериментами вчений переконливо спростував низку висловів Ари-стотеля й заклав фундамент класичної механіки. Ще один якісно новий етап у фізиці пов'язаний з іменем Ісаака Ньютона (рис. 1.2). У своїй книзі «Математичні початки натуральної філософії» Ньютон сформулював основні закони механіки, які визначили розвиток фізики на 300 років наперед.

17 ЗАРОДЖЕННЯ ТА РОЗВИТОК ФІЗИКИ ЯК НАУКИ Слово «фізика» походить від давньогрецького слова «природа». Так назвав першу відому нам наукову працю про природні явища давньогрецький учений Арістотель, який жив у 4-му столітті до нашої ери. Книга Арістотеля служила основним «підручником фізики» протягом майже двох тисячоліть. Наступний важливий крок у розвитку фізики зробив великий італійський учений Ґалілео Ґалілей ( ). Його вважають основоположником фізики в її сучасному розумінні як дослідної (експериментальної) науки. Ґалілей спростував на дослідах деякі важливі положення вчення Арістотеля. Фізика досліджує механічні, теплові, електромагнітні, світлові явища, а також будову речовини. Завданням фізики, як і інших наук, є пошук законів, за допомогою яких можна пояснювати та передбачати широке коло явищ

18 Навіщо та як вивчати фізику Стародавні вчені вважали, що кожна людина від народження шукає відповіді на такі філософські питання: що таке навколишній світ, яку роль відіграє людина в навколишньому світі, які стосунки між людиною і навколишнім світом? Власне, на ці питання прагнуть знайти відповідь усі науки, а не лише філософія. Природничі науки є основою створення наукової картини світу, формують світогляд людини, її науковий стиль мислення. Вони є також підґрунтям перетворюючої діяльності людини: створення техніки і технологій, розширення пізнавальних можливостей людства. Фізика, яка вивчає найпростіші явища природи, що порівняно легко спостерігаються, відтворюються, аналізуються, застосовуються для задоволення потреб людини і суспільства в цілому, є фундаментом природничих наук. Історичний шлях здобуття фізичних знань полягає в тому, що спочатку нагромаджуються факти, потім вони аналізуються, систематизуються, висловлюються ідеї щодо їх пояснення, перевіряється справедливість висловлених ідей, тобто створюється теорія. А вже після цього здобуті знання можуть бути ефективно використані на практиці: для пояснення явищ навколишнього світу, для задоволення практичних потреб людства.

19 На першому етапі одержання фізичних знань першочергове значення мають спостереження, експеримент, практичний досвід людини. Саме через них найефективніше долучаються до наукових пошуків ті, хто опановує фізичну науку і готується до її розвитку та численних застосувань. Це розуміли давно. Уже в працях Уїльяма Гільберта ( ) і Галілео Галілея ( ), яких часто вважають основоположниками фізичної науки, знаходимо вказівки на виключне значення експерименту в процесі пізнання. У праці «Про магніт, магнітні тіла і про великий магніт - Землю» (Лондон, 1600) Гільберт писав: «Я передаю основи наук про магніт - новий рід філософії -тільки вам, справжні філософи, благородні мужі, що шукають знання не лише в книгах, а й у самих речах». Експеримент важливий для вченого як підтвердження істинності одержаного знання, а для учня - як підготовка до майбутніх досліджень у галузі науки та її застосувань. Виконуючи досліди, учень оволодіває методами науки, які йому будуть потрібні для подальшого розвитку. Фізику поділяють на експериментальну й теоретичну. Але такий поділ цілком умовний, про що говорив Альберт Ейнштейн: «Мислення саме собою не приводить до знань про зовнішні об'єкти. Початковим пунктом усіх досліджень є чуттєве сприймання. Істинність теоретичного мислення досягається виключно за рахунок зв'язку його з усією сумою даних чуттєвого досвіду». Виконання дослідницьких робіт, які є джерелом нових знань, нової навчальної інформації, найкраще розвиває творчий потенціал тих, хто вивчає фізику й інші природничі нау- 5 ки. Зрозуміло, що для цього потрібно навчитися ставити мету дослідження, обирати відповідні методи і засоби дослідження, планувати й виконувати експеримент, обробляти його результати, робити висновки та ефективно користуватися набутими знаннями й уміннями.

20 Структура пошукової діяльності 1. Спостереження явища. Неможливість його пояснення на основі наявних знань (виникнення проблеми). 2. Формулювання гіпотези (гіпотез). Гіпотеза - таке припущення, при якому на основі ряду фактів можна зробити висновок про існування певного об'єкта, зв'язку між явищами або причини явищ. Наразі цей висновок не можна вважати повністю підтвердженим - його треба довести. 3. Планування перевірки гіпотези, зокрема експериментальної. 4. Експериментальна перевірка гіпотези. 5. Порівняння результатів експерименту з гіпотезою. 6. Підтвердження чи спростування гіпотези, її корекція чи заміна, внесення змін до початкової гіпотези. 7. Створення теорії, яка виникає, коли гіпотеза виявляється підтвердженою експериментально. 8. Застосування одержаних нових знань (теорії) для: пояснення явищ (пояснювальна функція науки); практичного застосування знання (перетворююча функція науки); визначення подальших напрямків дослідження у даній галузі (прогностична функція науки).

21 Іноді тому, хто навчається, здається, що в науці вже все відомо, немає що нового відкривати. Проте це зовсім не так -із розвитком науки постає дедалі більше нових проблем, розв'язання яких лягає на плечі молодих дослідників, одним з яких станеш, можливо, саме ти. Ейнштейн говорив: «Наука не є і ніколи не буде закінченою книжкою. Кожний важливий успіх ставить нові запитання. Будь-який розвиток виявляє з часом нові, ще глибші проблеми».