mozok.click » Podręczniki w języku polskim » Fizyka » Ewolucja fizycznego obrazu świata. Fizyka a naukowo-techniczny postęp
Інформація про новину
  • Переглядів: 144
  • Автор: admin
  • Дата: 29-03-2018, 03:36
29-03-2018, 03:36

Ewolucja fizycznego obrazu świata. Fizyka a naukowo-techniczny postęp

Категорія: Podręczniki w języku polskim » Fizyka

Badałeś fizykę przez trzy lata i już zapoznałeś się z podstawowymi rozdziałami tej nauki - mechaniką, optyką, zjawiskami elektrycznymi i in.; dowiedziałeś się o tym, co w fizyce nazwano prawami; o tym, jak odbywają się badania zjawisk fizycznych. Ciągle przypominaliśmy, w jaki sposób osiągnięcia uczonych fizyków zostały zastosowane w przyrządach, maszynach, urządzeniach co zmieniło na lepsze życie człowieka. Jednak szybki rozwój techniki ma też negatywne skutki. W tym paragrafie omówimy pytania ewolucji fizycznego obrazu świata oraz współzależności fizyki i rozwoju społeczeństwa.

Dowiadujemy się o ewolucji fizycznego obrazu świata

W ciągu tysiącleci człowieka interesowało pytanie: czym jest otaczający Wszechświat? Jaka jest jego „budowa”? zgodnie z jakimi prawami się rozwija?

Starożytni filozofowie uważali Ziemię za środek Wszechświata. Uważali oni, że jest ona płaska i otoczona olbrzymią kryształową sferą (rys. 40.1).

W średniowieczu, dzięki pracom Galileusza, Mikołaja Kopernika został ukształtowany heliocen-tryczny układ świata — zgodnie z którym Słońce znajduje się w środku Wszechświata, a wszystkie ciała, w tym też planety (i między innymi Ziemia), krążą wokół Słońca.

W ciągu ostatnich 100 lat wiedza o Wszech-świecie bardzo się rozszerzyła. Ogólna teoria względności Alberta Einsteina wyjaśniła istnienie wielu tajemniczych obiektów Wszechświata, na przykład czarnych dziur. Dzięki radioteleskopom, które pracują w różnych zakresach elektromagnetycznych fal, zwiększyły się możliwości otrzymywania informacji o przestrzeni kosmicznej.

Aparaty kosmiczne przeleciały obok wszystkich planet Układu Słonecznego, zrobiły zdjęcia ich powierzchni „z bliska”, odwiedziły Mars, Wenus, Księżyc i inne ciała niebieskie. Z 1990 r. na ziemskiej orbicie pracuje teleskop „Hubble'a”, dzięki któremu udało się „zobaczyć” obiekty dalekich galaktyk (rys. 40.2).

Jednocześnie z badaniem obiektów mega-świata i makroświata uczeni badają świat cząsteczek, atomów i ich części — mikroświat.

Pierwotne wyobrażenia o budowie atomu powstały około 2,5 tysięcy lat temu. Były one względne i opierały się na logicznych myśleniach filozofów starożytnej Grecji. W XIX w. pojawiły się pośrednie potwierdzenia atomi-stycznej budowy materii, które były oparte na unikalnych doświadczeniach (rys. 40.3).

Dopiero w końcu XIX - na początku XX w. pojawiły się niezaprzeczalne potwierdzenia atomowo-jądrowej struktury materii (rys. 40.4). Za pomocą współczesnych bardzo precyzyjnych mikroskopów, stworzonych w końcu zeszłego wieku (tunelowy, autoelektroniczny, autojonowy, elektroniczny), udało się sfotografować odrębne atomy (rys. 40,5).



 

Zapoznajemy się z rozwojem wyobrażeń o naturze światła

Od czasów starożytnego filozofa Arystotelesa i do dzisiaj nauka fizyczna próbuje stworzyć jednolity obraz świata. Od samego początku badania natury badacze próbowali odnaleźć jedyną teorię, która opisywałaby i megaświat, i makroświat, i mikroświat.

Po raz pierwszy udało się tego dokonać na przełomie XVII—XVIII w. podczas badania natury światła. Prawie jednocześnie dwaj wybitni fizycy stworzyli dwie zupełnie odmienne teorie światła. Mówimy o korpusku-larnej teorii I. Newtona i falowej teorii Ch. Huygensa.

Zgodnie z korpuskularną teorią Newtona światło jest strumieniem cząstek (korpuskuł) wysyłanych przez ciała świetlne, przy czym ruch korpuskuł świetlnych podporządkowuje się zasadom mechaniki. Odbicie światła Newton tłumaczył odbiciem korpuskuł od powierzchni, na którą pada światło, a załamanie światła - zmianą prędkości korpuskuł na skutek ich oddziaływania z cząstkami ośrodka.

„Dzieło o świetle” Huygensa, wydane w 1690 r., weszło do historii nauki jako pierwsza praca naukowa w dziedzinie optyki falowej.

Zwolennikami falowej teorii światła byli tacy wybitni uczeni, jak M. Łomonosow i L. Euler (czyt. Ejler), jednak do końca XVIII w. ogólnie przyjętą pozostawała korpuskularna teoria Newtona. Tak było do początku XIX w., dopóki nie pojawiły się prace angielskiego fizyka Thomasa Younga (czyt. Janga) (1773-1829) i francuskiego fizyka Augustyna Jeana Fresnela (1788-1827). Badając światło, uczeni obserwowali zjawiska właściwe tylko falom: omijanie światłem przeszkód (dyfrakcja) i

wzmacnianie i wygaszanie światła w wypadku nakładania się wiązek świetlnych (interferencja). Od tego czasu w nauce bardziej rozpowszechnioną jest falowa teoria Huy-gensa.

W latach 60. XIX w. J. Maxwell stworzył teorię poła elektromagnetycznego, jednym ze skutków której było ustalanie możliwości istnienia fal elektromagnetycznych. Zgodnie z obliczeniami, prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych równa się prędkości światła. Na podstawie teoretycznych badań Maxwell wnioskował, że światło - to fale elektromagnetyczne. H. Hertz doświadczalnie udowodnił, że światło ma naturę elektromagnetyczną.

Elektromagnetyczna teoria światła pozwoliła wyjaśnić wiele zjawisk optycznych, jednak juz na koniec XIX w. okazało się, że ta teoria nie potrafi wyjaśnić zjawisk wynikających podczas oddziaływania światła z substancją. Procesy promieniowania i pochłaniania światła, zjawisko fotoelektryczne i in. udało się wyjaśnić dopiero w pierwszej połowie XX w. — z punktu widzenia kwantowej teorii światła, zgodnie z którą światło promieniuje, rozchodzi się i jest pochłaniane przez substancję nie w sposób ciągły, a odrębnymi porcjami - kwantami. Każdy odrębny kwant światła ma charakter cząstki, a kwanty zachowują się podobnie do fali. Taka podwójna natura światła (oraz dowolnej cząstki) otrzymała nazwę dualizm korpusku-larno-falowy.

Zatem po kilkuset latach dwie zupełnie różne teorie „połączyły się”. Jednocześnie pojawiły się inne potwierdzające dane. Gdy uczeni zaczęli badać procesy fizyczne zachodzące w gwiazdach, okazało się, że „świecenie się” tych olbrzymich skupisk jest związane ze strukturą i właściwościami najmniejszych na ten czas znanych obiektów — jąder atomowych. Dlatego, olbrzymie przyspieszacze, stworzone dla badania mikrostruktury materii, odpowiedziały nie tylko na pytanie: „Jaka jest budowa jądra atomowego?”, lecz i na inne: „Dlaczego świeci Słońce?”

Uczeni są przekonani, że więcej zagadnień Wszechświata zostanie wyjaśnione po otrzymaniu wiedzy o właściwościach cząstek elementarnych. W tym celu stworzono najbardziej potężny z przyspieszaczy - kolajder handronowy (patrz rys. 22.1). Zaczął on pracować w 2008 r. dzięki wysiłkom uczonych wielu państw.

Podsumowujemy znaczenie fizyki w postępie naukowo-technicznym

Naukowo-techniczny postęp - to jedyny wzajemnie uwarunkowany stopniowy rozwój nauki i techniki.

Badając fizykę w 9. klasie, podobnie jak wcześniej, niejednokrotnie zwracaliśmy uwagę na ścisły związek pomiędzy fizyką a techniką. W ciągu prawie 25

stuleci istnienia nauki fizycznej, wyniki jej badań rozpowszechniały się nie tylko na wyjaśnienie natury budowy świata. W swoich pracach uczeni-fizycy (na przykład starożytni Grecy, przede wszystkim Archimedes) ciągle próbowali wyjaśnić zastosowanie tych czy innych technicznych urządzeń z punktu widzenia nauki.

W XIX w. pojawiła się nowa tendencja: prawa fizyczne nie tylko zostały zastosowane do wyjaśnienia (polepszenia) już wynalezionych przez inżynierów konstrukcji, lecz i stały się „pożywieniem dla umysłu” w trakcie tworzenia nowych kierunków rozwoju techniki. Podamy kilka przykładów.

Do XIX w. elektryczność była wykorzystywana wyłącznie do salonowych rozrywek (rys. 40.6). Około połowy XIX w., po ustaleniu praw fizycznych, związanych z przepływem i działaniem prądu elektrycznego (prawa Ohma, prawa indukcji elektromagnetycznej i in.), zaczyna rozwijać się łączność telegraficzna, a następnie telefoniczna (telefonia). Wynalezienie i szerokie rozpowszechnienie radia stało się możliwe dzięki stworzeniu teorii elektromagnetycznego pola Maxwella.

W XIX w. ustalanie nowych praw fizycznych odbywało się, z reguły, w sposób przypadkowy. Odpowiednio pojawienie się powiązanych z tymi prawami nowych wynalazków technicznych odbywało się samoczynnie, i dopiero w XX w. ten proces został w pewien sposób uporządkowany. Szereg projektów (najbardziej znany spośród których — tak zwany „Projekt uranowy” jest to program prac, związanych ze stworzeniem uzbrojenia atomowego) były wykonywane bezpośrednio na zamówienie rządów państw. W ramach każdego projektu przeprowadzono naukowe badania, zgodnie z wynikami których zostały wykonane opracowania inżynieryjne (obliczenia, sporządzenia, konstrukcje).

Współczesny etap rozwoju fizyki jest ściśle połączony z przemysłem i biznesem. Do rozwiązania każdego nowego technicznego zadania do pracy zapraszani są nie tylko inżynierowie, technologowie, a i naukowcy. Przykładem takiej współpracy jest miniaturyzacja telefonów komórkowych.

Fizyka również wpływa na rozwój innych nauk. Przede wszystkim jest to powiązane z głębokim rozumieniem struktury materii, które opiera się na teoretycznym opisywaniu mikroświata za pomocą mechaniki kwantowej. Zastosowanie tej teorii do rozwiązywania zadań z chemii i biologii umożliwiło w krótkim czasie osiągnięcie znaczącego postępu w rozwoju tych dziedzin wiedzy.

Prawie wszystkie współczesne mierniki i metody pomiarów stosowane w astronomii, medycynie, archeologii itd. „wyrosły” z odpowiednich praw fizyki.

Rys. 40.6. Doświadczenie, które ilustruje istnienie przewodników i dielektryków (rycina śr. XVIII w.) kobieta siedzi na huśtawce, zawieszonej na jedwabnych sznurach. Człowiek, stojący z prawej przybliża do ręki kobiety naelektryzowaną szklaną pałeczkę, a stojący z lewej, dotyka jej drugiej ręki - pojawia się iskra

Podsumowanie

Prawie za 2500 lat istnienia, nauka fizyczna potrafiła rozszerzyć ogólne przedstawienie o naturze, które łączy wiedzę człowieka o megaświecie, makroświe-cie i mikroświecie. Wysiłki uczonych-fizyków w większości przypadków skierowane były na praktyczne zastosowanie wyników ich badań.

Zaczynając od XIX w., fizycy nie tylko wyjaśniali znane fakty, lecz ustalali nowe prawa, w oparciu o które rozwijały się nowe dziedziny techniki.

Specyfiką współczesności jest „zamówienie na opracowanie”: naukowe badania w większości wypadków są wykonywane w celu rozwiązywania konkretnego praktycznego zadania.

Wyniki otrzymane przez uczonych-fizyków, są wykorzystywane w innych naukach, między innymi w biologii i chemii. Fizyczne przyrządy i metody badań są na szeroką skalę wykorzystywane w nauce, przemyśle i rolnictwie.

Pytania kontrolne

1. Za pomocą jakich przyrządów badamy megaświat? 2. Jakie metody i przyrządy są wykorzystywane przez fizyków do badania właściwości atomów? 3. Jakie są współczesne wyobrażenia o naturze światła? 4. W czym tkwi sens dualizmu korpuskularno-falowego? 5. Podaj dowody tego, że znajomość prawa Ohma jest niezbędna dla inżynierów.

Fizyka i technika na Ukrainie

Borys Wierkin (1919-1990) - wybitny uczony w dziedzinie fizyki niskich temperatur, założyciel i pierwszy dyrektor Fizyko technicznego Instytutu niskich temperatur AN USSR (m. Charków) (FUNT).

Prace naukowe B.Wierkina poświecone są badaniu natury magnetycznych właściwości metali, fundamentalnego i stosowanego nadprzewodnictwa, struktury materiałów w niskich temperaturach, właściwości kriogenicznych kryształów i cieczy, biofizyki cząsteczkowej, zachowania się cieczy w warunkach nieważkości. Wielki jest wniosek uczonego w badania kosmosu. Przy jego udziale stworzono kompleks przyrządów zainstalowanych na aparatach kosmicznych „Wenus-9", „Wenus-10", „Salut-4" w celu imitacji fizycznych warunków Księżyca, Marsa i innych planet.

W dziedzinie medycyny kriogenicznej B. Wierkin opracował metodę długotrwałej niskotemperaturowej konserwacji komórek krwi, tkanek i mózgu kostnego, a także kriochirur-giczne instrumenty i aparaty do wykorzystania w dermatologii, ginekologii, stomatologii, neurochirurgii i innych dziedzinach medycyny.

Za wybitne osiągnięcia w nauce Fizyko-technologicznemu Instytutowi niskich temperatur nadano imię B. Wierkina. PAN Ukrainy ufundowała nagrodę im. B.Wierkina - za wybitne naukowe prace w dziedzinie fizyki i techniki niskich temperatur.

Badanie kosmosu

Pierwsze kroki w kosmosie

4 października 1957 r. radzieccy uczeni wyprowadzili na okołoziemską orbitę pierwszego sztucznego satelitę Ziemi, który odkrył kosmiczną erę w historii ludzkości (rys. 1). Po odłączeniu się od rakiety nośnika jej nadajnik radiowy zaczął nadawać pierwszy sztuczny sygnał z kosmosu — ten sygnał usłyszał cały świat.

12 kwietnia 1961 r. człowiek po raz pierwszy poleciał w kosmosu. Lot został wykonany na statku kosmicznym „Wostok” przez radzieckiego kosmonautę Jurija Gagarina (1934-1968) (patrz rys. 2 po lewej). „Wostok” został opracowany przez wybitnego konstruktora Sergieja Korolowa (107 - 1966) (patrz rys. 2 po prawej), urodzonego w Żytomierzu, absolwenta Politechniki Kijowskiej.

21 lipca 1969 r. amerykańscy astronauci Neil Armstrong (1930-2012) i Buzz (Edwin) Aldrin (ur. 1930) wylądowali na Księżycu (rys. 3). wraz z pierwszym krokiem, zrobionym na powierzchni Księżyca N. Armstrong powiedział: „ Jest to mały krok dla człowieka, ale wielki skok dla ludzkości”.

Misja „Rozetta"

Idea misji polega na tym, aby aparat kosmiczny wylądował na komecie. Aparat kosmiczny „Rozetta” stworzony przez fachowców Europejskiej agencji kosmicznej, został zapuszczony w 2004 r. i w ciągu dziesięciu lat pokonał setki milionów kilometrów, aby znaleźć się na orbicie komety o rozmiarach mniejszych niż 10 km (!). ponadto z „Rozetty” został spuszczony aparat „Fili”, który sukcesywnie wykonał miękkie lądowanie na powierzchni komety 14 listopada 2014 r. (rys. 4). Warto dodać, że misja „Rozetta” badała kometę Czuriumowa — Gerasymen-ko, odkrytą w 1969 r. przez ukraińskiego uczonego K. Czuriumowa.


PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU V

„Ruch i oddziaływanie. Prawa zachowania"

1. Badając rozdział V, przypomniałeś sobie główne pojęcia mechaniki (ruch mechaniczny, tor, droga, przemieszczenie, układ odniesienia), dowiedziałeś się o ruchu prostoliniowym jednostajnie przyspieszonym, nauczyłeś się obliczać wielkości fizyczne charakteryzujące ten ruch.

RUCH PROSTOLINIOWY JEDNOSTAJNIE PRZYSPIESZONY

ruch podczas którego ciało porusza się prostoliniowym torem ze stałym co do wartości i kierunku przyspieszeniem

2. Poznałeś najważniejsze zasady dynamiki - zasady Newtona, nauczyłeś się rozróżniać inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia.

3. Rozszerzyłeś swoją wiedzę o oddziaływaniu grawitacyjnym, nauczyłeś się prawa grawitacji i otrzymałeś wzór dla obliczenia siły ciężkości.

4. Wyjaśniłeś, że ruch ciała pod działaniem siły ciężkości nazywamy swobodnym spadaniem,, a przyspieszenie, z którym poruszają się ciała pod działaniem siły ciężkości - przyspieszeniem ziemskim.

5. Przypomniałeś sobie prawo zachowania energii mechanicznej, dowiedziałeś się o prawie zachowania pędu.

PRAWA ZACHOWANIA W MECHANICE

6. Uogólniłeś wiedzę o fundamentalnych oddziaływaniach w przyrodzie, dowiedziałeś się o ważności praw zachowania.


ZADANIA DO ROZDZIAŁU V

„Ruch i oddziaływanie. Prawa zachowania"

Zadania 1-8 zawierają tylko jedną poprawną odpowiedź.

1. (i punkt) Ciało porusza się wzdłuż osi OX. Na rys. 1 podano wykres zależności rzutu prędkości ruchu ciała i czasu obserwacji. Który z odcinków wykresu odpowiada jednostajnemu ruchowi ciała?

a) odcinek AB;

b) odcinek BC;

c) odcinek CD;

d) odcinek AB i CD.

2. (1 punkt) Która z wielkości fizycznych jest skalarna?

a) przyspieszenie; c) pęd;

b) prędkość ruchu; d) energia.

3. (1 punkt) Z jakim ciałem należy związać układ odniesienia, żeby stał się on inercjalnym?

a) pociąg zwiększa swoją prędkość;

b) dziewczynka buja się na huśtawce;

c) chłopczyk porusza się wzdłuż jezdni ruchem prostoliniowym ze stałą prędkością

d) pies spowalnia swój ruch.

4. (1 punkt) Ciało rzucone pionowo do góry porusza się pod działaniem siły ciężkości. Przyspieszenie ruchu ciała:

a) jest największe w początkowym momencie ruchu;

b) jednakowe w dowolnym momencie ruchu;

c) najmniejsze w górnym punkcie toru;

d) zwiększa się podczas spadania.

5. (2 punkty) Z jakim przyspieszeniem porusza się ciało, jeżeli w ciągu 2 s prędkość jego ruchu zwiększa się od 3 do 6 m/s?

a) 1,5 m/s2; b) 3 m/s2; c) 4,5 m/s2; d) 6 m/s2.

6. (2 punkty) Samochód zaczyna poruszać się i w ciągu 5 s porusza się ze stałym przyspieszeniem 4 m/s2. Oblicz przemieszczenie samochodu za ten czas.

a) 10 m; b) 20 m; c) 50 m; d) 100 m.

7. (2 punkty) Na rys. 2 przedstawiono cztery sytuacje oddziaływania dwóch ciał. W jakim przypadku układ ciał nie jest zamknięty?

(3 punkty) Ciało o masie 100 g porusza się pod działaniem dwóch wzajemnie prostopadłych sił o wartościach 6 i 8 N. Z jakim przyspieszeniem porusza się ciało?

(3 punkty) Według wykresu przedstawionego na rys. 1 wyznacz przemieszczenie ciała za ogólny czas obserwacji. Uważaj, że w wybranym układzie odniesienia ciało poruszało się wzdłuż osi OX.

10. (3 punkty) Ciało zostało rzucone pionowo do góry z prędkością 30 m/s. Przez jaki odcinek czasu ciało znajdzie się na odległości 25 m od punktu rzucania. Jaka będzie prędkość ruchu ciała w ciągu tego odcinku czasu?

(3 punkty) W windzie znajduje się walizka o masie 20 kg. Winda zaczyna poruszać się z przyspieszeniem 2 m/s2. Ile wynosi ciężar walizki? Rozglądnij dwa przypadki.

12. (4 punkty) Ciało o masie 2,5 kg porusza się wzdłuż osi OX. Równanie ruchu ciała zapisuje się w postaci: x = 15 + 3t-t2. Ustal zależność pomiędzy wielkością fizyczną a jej wartością w SI.

1 Siła działająca na ciało.

2 Pęd ciała na początku obserwacji.

3 Energia kinetyczna ciała przez 1,5 s od początku obserwacji.

4 Czas ruchu ciała do momentu zatrzymania się.

A 0 B 1,5 C 4,5 D 5

E 7,5

13. (4 punkty) Klocek o masie 500 g pod działaniem zawieszonego do niego ciężarka o masie 150 g pokonuje od początku ruchu drogę 18 cm w ciągu 2 s (rys. 3). Oblicz współczynnik tarcia poślizgowego.

14. (4 punkty) Z punktu znajdującego się na wysokości 2,8 m nad powierzchnią ziemi, pionowo do góry rzucają ciało 1 z prędkością 12 m/s.

W momencie, gdy ciało 1 znajdzie się w najwyższym punkcie podnoszenia, z powierzchni ziemi rzucają do góry ciało 2 z prędkością 10 m/s.

Oblicz czas i wysokość spotkania się ciał.

15. (4 punkty) Wykorzystując dane z rys. 4, oblicz wysokość h, na którą podniosą się dwa ciała o jednakowej masie po zderzeniu się. Wewnętrzną powierzchnię walca uważaj za idealnie gładką.

Sprawdź swoje odpowiedzi na pytania z podanymi na końcu podręcznika. Oznacz zadania, na które odpowiedziałeś prawidłowo i wyznacz sumę punktów, następnie podziel tę sumę przez trzy. Otrzymany wynik będzie odpowiadać poziomowi twojej wiedzy.

Dodatkowe zadania testowe, sprawdzane przez komputer odnajdziesz na stronie internetowej „Nauczanie interaktywne".

Proponowane tematy projektów

1. Prawa zachowania w przyrodzie, technice, życiu codziennym.

2. Fizyka w życiu współczesnego człowieka.

3. Współczesne badania fizyczne na Ukrainie i na całym świecie.

4. Ukraina - państwo kosmiczne.

5. Wykorzystanie prawa zachowania pędu w technice.

Tematy referatów

1. Znaczenie zasad Newtona w rozwoju fizyki.

2. Siła ciężkości na planetach Układu Słonecznego i ich satelitach.

3. Czy istnieje siła odśrodkowa.

4. Jak porusza się ciało rzucone pod kątem do poziomu, jeżeli nie możemy nie uwzględniać oporu powietrza.

5. Ruch odrzutowy w przyrodzie.

6. Historia kosmonautyki.

7. Pierwszy ukraiński kosmonauta.

8. Życiorys i działalność naukowa S. Korolowa.

9. Międzynarodowy kosmiczny projekt „Gallileo”.

10. Prawa zachowania we Wszechświecie.

11. Energia próżni fizycznej.

12. Dlaczego masę ciała nazywamy miarą energii.

Tematy badań eksperymentalnych

1. Doświadczalne sprawdzanie drugiej zasady Newtona.

2. Doświadczalne sprawdzanie trzeciej zasady Newtona.

3. Badanie warunków prostoliniowego jednostajnego ruchu ciała pod działaniem kilku sił.

4. Badanie dodawania sił.

5. Badanie zasięgu lotu ciała.

6. Stworzenie i obserwacja ruchu odrzutowego.

7. Badanie uderzeń sprężystych i niesprężystych,

8. Sporządzenie przyrządów, zasadą działania których jest prawo zachowania energii.

 

Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar

 






^