Зарождение классической физики

ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 2

1. Зарождение классической физики. 4

2. Развитие классической физики. 9

3. Третий этап классической физики. 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 24

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 26

ВВЕДЕНИЕ

Классическая физика — физика до появления квантовой теории и теории относительности. Основы классической физики были заложены в средние века Ньютоном и другими физиками.

Классическая физика основана на следующих принципах:

- причины должны быть жестко связаны со следствиями (детерминизм)

- пространство обладает евклидовой геометрией

- течение времени одинаково в любых системах отсчета и не зависит от скорости их движения относительно друг друга

Период от древнейших времен до начала ХVII в. – это предыстория физики, период накопления физических знаний об отдельных явлениях природы, возникновения отдельных учений. В соответствии с этапами развития общества в нем выделяют эпоху античности, средние века, эпоху Возрождения.

Физика как наука берет начало от Г. Галилея – основоположника точного естествознания. Период от Г. Галилея до И. Ньютона представляет начальную фазу физики, период ее становления.

Выделяют три периода классической физики:

Первый этап (конец ХVII в. – 60-е гг. ХIХ в.).

Второй этап (60-е гг. ХIХ в.– 1894 г.).

Третий этап (1895 – 1904).

Классическая фундаментальная физика в настоящее время достигла такого высокого уровня развития, что в рамках этой физики можно логически связанно объяснить и вычислить практически любые явления и физические эффекты в природе, что и обусловило актуальность нашего исследования.

Цель работы – проанализировать основные достижения классической физики.

В соответствии с поставленными целью решались следующие основные задачи:

- рассмотреть достижения классической физики период зарождения

- изучить развитие классической физики;

- проанализировать третий этап классической физики

Методы исследования:

-обработка, анализ научных источников;

-анализ научной литературы, учебников и пособий по исследуемой проблеме.

Объект исследования –  классическая физика

Предмет исследования – основные достижения классической физики

Зарождение классической физики

Начало первого - классического - периода в истории науки обычно связывают с именем И. Ньютона. Начинается данный этап коней ХVII в. – 60-е гг. ХIХ в

Исаак Ньютон (1643-1727), родившийся вскоре смерти Галилея, унаследовал, таким образом, все методы, знания и новые идеи предыдущего поколения ученых и создал теорию, которая на два столетия определила развитие науки. В своем основном труде «Математические начала натуральной философии», опубликованной по настоянию и на деньги своего друга – астронома Э. Галлея (открывшего, в частности, знаменитую комету Галлея), обобщил открытия Галилея в качестве двух законов, добавив к ним третий закон и закон всемирного тяготения.

Развитие физики в 17-18 веках было подготовлено трудами, наблюдениями, идеями, догадками ученых античности и средневековья. Ньютон сам говорил, что своими успехами он обязан тому, что «…стоял на плечах гигантов». Ньютон создал динамику – учение о движении тел, которое вошло в науку также под названием «механика Ньютона»[1].

Велик вклад Ньютона и в математику, и в оптику, однако, фундаментом классического естествознания стала созданная им механика, которая не только навела порядок в огромном эмпирическом материале, накопленном многими поколениями ученых, но и дала в руки людей мощный инструмент однозначного предсказания будущего в широкой области объектов и явлений природы. Причины перемещения тел в пространстве, закономерности этих перемещений, способы их адекватного описания всегда были в центре внимания человека, так как непосредственно касались наиболее близкой религиозному сознанию области естествознания, а именно - движения небесных тел. Поиск закономерностей этих движений был для человека не столько связан с удовлетворением научной любознательности, сколько преследовал глубокую религиозно-философскую цель: познать смысл бытия. Поэтому такое значение во все времена уделялось астрономическим наблюдениям, тщательной фиксации мельчайших подробностей в поведении небесных тел, интерпретации повторяющихся событий.

Приняв за основу возможность локализации физических объектов в пространстве и во времени, классическая механика начинает изучение законов движения с наиболее простого случая: с изучения законов движения материальной точки, т.е. физического объекта бесконечно малых размеров, обладающего конечной массой. Эта схематическая идея элементарной частицы, которую аналитическая механика предпосылает изложению законов динамики, полностью отвечает представлению о дискретности материи. И поэтому совершенно естественно, что полвека назад, когда физики пытались представить себе материю как совокупность находящихся в движении элементарных частиц, в динамике материальной точки они нашли как раз тот инструмент, который был необходим для их теоретических построений[2].

Динамика материальной точки исходит из принципа инерции, согласно которому материальная точка, на которую не действуют никакие внешние силы, сохраняет со временем свое состояние движения (или покоя). Это положение строго выполняется, во всяком случае тогда, когда речь идет о так называемых галилеевых системах координат, например системе, связанной с неподвижными звездами. Особая роль галилеевых систем координат следует из их определения. Если трехмерное пространство, в котором локализуются все физические объекты, понимать как пространство, имеющее некий абсолютный смысл, то под галилеевыми системами понимаются системы координат, движущиеся прямолинейно и равномерно относительно абсолютного пространства.

Согласно принципу инерции, свободная материальная точка движется прямолинейно и равномерно, либо в частном случае, когда ее скорость равна нулю, остается в состоянии покоя. Таким образом, вполне естественно предположить, что действие некоторой силы на материальную точку сводится просто к изменению ее скорости. Наиболее простой гипотезой будет предположение, что мгновенное изменение скорости материальной точки прямо пропорционально величине, действующей на нее силы, а коэффициент пропорциональности тем меньше, чем больше ее инерция, т.е. чем сильнее она противодействует изменению ее скорости[3].

Ньютоном были открыты четыре закона механики:

I закон, или закон инерции. (Фактически, это закон, открытый еще Галилеем, но сформулированный более строго): всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

II закон. Этот закон по праву является ядром механики. Он связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой , т.е. изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. Так как в механике Ньютона масса не зависит от скорости (в современной физике, как мы впоследствии увидим, это не так), то

где а – ускорение противодействия равны по величине и противоположны по направлению. Масса в этом выражении предстает как мера инертности. Нетрудно увидеть, что при постоянной силе воздействия ускорение, которое можно придать телу тем меньше, чем больше его масса.

III закон отражает тот факт, что действие тел всегда носит характер взаимодействия, и что силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.

IV закон, сформулированный Ньютоном – это закон всемирного тяготения.

Логическая цепочка этого открытия может быть выстроена следующим образом. Размышляя о движении Луны, Ньютон сделал вывод, что она на орбите удерживается той же силой, под действием которой камень падает на землю, т.е. силой тяготения: «Луна тяготеет к Земле и силою тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите»[4]. Используя формулу своего современника Гюйгенса для центростремительного ускорения и астрономические данные, он нашел, что центростремительное ускорение Луны в 3600 раз меньше ускорения падения камня на Землю. Поскольку расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то можно предположить, что сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния. Затем, на основе законов Кеплера, описывающих движение планет, Ньютон распространяет этот вывод на все планеты. («Силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его»).

Наконец, высказав положение о всеобщем характере сил тяготения и одинаковой их природе на всех планетах, показав, что «вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты», установив экспериментально пропорциональность массы тела и его веса (силы тяжести), Ньютон делает вывод, что сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел. Так был установлен знаменитый закон всемирного тяготения, который записывается в виде:

, где g - гравитационная постоянная, впервые определенная экспериментально в 1798 г. Г. Кавендишем. По современным данным g = 6,67*10^-11Н*м²/кг².

Важно отметить, что в законе всемирного тяготения масса выступает в качестве меры гравитации, т.е. определяет силу тяготения между материальными телами.

Важность закона всемирного тяготения состоит в том, что Ньютон, таким образом, динамически обосновал систему Коперника и законы Кеплера.

Одним из величайших достижений на этом поприще стали эмпирические законы И. Кеплера, которые убедительно показали существование порядка в движении планет Солнечной системы. Решающий же шаг в понимании причин этого порядка был сделан И. Ньютоном. Созданная им классическая механика в чрезвычайно лаконичной форме обобщила весь предшествующий опыт человечества в изучении движений. Оказалось, что все многообразие перемещений макроскопических тел в пространстве может быть описано всего лишь двумя законами: законом инерции (F = ma) и законом всемирного тяготения (F = Gm1m2 / r2). И не только законы Кеплера, относящиеся к Солнечной системе, оказались следствием законов Ньютона, но и все наблюдаемые человеком в естественных условиях перемещения тел стали доступными аналитическому расчету. Точность, с которой такие расчеты позволяли делать предсказания, удовлетворяли любые запросы. Сильнейшее впечатление на людей произвело обнаружение в 1846 году ранее неизвестной планеты Нептун, положение которой было рассчитано заранее на основании уравнений Ньютона (Адамс и Леверье).

К середине XIX века авторитет классической механики возрос настолько, что она стала считаться эталоном научного подхода в естествознании. Широта охвата явлений природы, однозначная определенность (детерминизм) выводов, характерные для механики Ньютона, были настолько убедительны, что сформировалось своеобразное мировоззрение, в соответствии с которым механистический подход следует применять ко всем явлениям природы, включая физиологические и социальные, и что надо только определить начальные условия, чтобы проследить эволюцию природы во всем ее многообразии. Это мировоззрение часто называют «детерминизмом Лапласа», в память о великом французском ученом П-С. Лапласе, внесшем большой вклад в небесную механику, физику и математику.

Очень образно об этом сказал сам Лаплас: «Ум, которому были бы известны для какого-либо момента времени все силы, одушевляющие природу, обнял бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением атомов. И будущее, также как и прошедшее предстало бы перед его взором»[5].

Однако, эта программа - сведение всех природных явлений к механическому движению под действием сил - оказалась не реализованной, прежде всего, из-за проблем с описанием световых, электрических и магнитных явлений.