(от др.-греч. фюзис «природа ») - область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Термин «физика» впервые появился в сочинениях одного из величайших мыслителей древности - Аристотеля, жившего в IV веке до нашей эры. Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимичны, поскольку обе дисциплины пытаются объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика выделилась в отдельное научное направление.

В русский язык слово «физика» было введено Михаилом Васильевичем Ломоносовым, когда он издал первый в России учебник физики в переводе с немецкого языка. Первый отечественный учебник под названием «Краткое начертание физики» был написан первым русским академиком Страховым.

В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Все то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий. Так, исследования в области электромагнетизма привели к появлению телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

Физическое понимание процессов, происходящих в природе, постоянно развивается. Большинство новых открытий вскоре получают применение в технике и промышленности. Однако новые исследования постоянно поднимают новые загадки и обнаруживают явления, для объяснения которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

Общенаучные основы физических методов разрабатываются в теории познания и методологии науки.

Предмет физики.

Физика - это наука о природе в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает вещество (материю) и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Некоторые закономерности являются общими для всех материальных систем, например, сохранение энергии, - называют физическими законами. Физику иногда называют «фундаментальной наукой», поскольку другие естественные науки (биология, геология, химия и др.) описывают только некоторый класс материальных систем, подчиняющихся законам физики. Например, химия изучает атомы, образованные из них вещества и превращения одного вещества в другое. Химические же свойства вещества однозначно определяются физическими свойствами атомов и молекул, описываемыми в таких разделах физики, как термодинамика, электромагнетизм и квантовая физика.

Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических выражений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физических теорий.

Теоретическая и экспериментальная физика.

1) В основе своей физика - экспериментальная наука: все её законы и теории основываются и опираются на опытные данные. Однако зачастую именно новые теории являются причиной проведения экспериментов и, как результат, лежат в основе новых открытий. Поэтому принято различать экспериментальную и теоретическую физику.

Экспериментальная физика исследует явления природы в заранее подготовленных условиях. В ее задачи входит обнаружение ранее неизвестных явлений, подтверждение или опровержение физических теорий. Многие достижения в физике были сделаны благодаря экспериментальному обнаружению явлений, не описываемых существующими теориями (например, экспериментально обнаруженная абсолютность скорости света породила специальную теорию относительности).

2) В задачи теоретической физики входит формулирование общих законов природы и объяснение на основе этих законов различных явлений, а также предсказание до сих пор неизвестных явлений. Верность любой физической теории проверяется экспериментально: если результаты эксперимента совпадают с предсказаниями теории, она считается адекватной (достаточно точно описывающей данное явление).

При изучении любого явления роль экспериментальной и теоретической физики одинаково важны.

Основные теории.

Хотя физика имеет дело с разнообразными системами, некоторые физические теории применимы в больших областях физики. Такие теории считаются в целом верными при дополнительных ограничениях. Например, классическая механика верна, если размеры исследуемых объектов намного больше размеров атомов, скорости существенно меньше скорости света, и гравитационные силы малы. Эти теории всё ещё активно исследуются; например, такой аспект классической механики, как теория хаоса был открыт только в XX веке. Они составляют основу для всех физических исследований.

Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9)

Линия УМК Г. Я. Мякишева, М.А. Петровой. Физика (10-11) (Б)

Линия УМК Н. С. Пурышевой. Физика (7-9)

Линия УМК Пурышевой. Физика (10-11) (БУ)

Как работает двигатель прогресса?

Физика. Кто придумал, почему оно взорвалось, как это рассчитать, что это такое, почему так происходит, зачем эта деталь, куда переходит энергия? Сотни вопросов. На огромное количество есть ответы, на огромное количество – нет, а еще большее число не задано вообще. Как менялось преподавание одной из самых важных дисциплин на протяжении трех последних столетий?
Читайте по теме:
Методическая помощь учителю физики
Важной особенностью физики является тесная взаимосвязь с развитием общества и его материальной культуры, поскольку она никак не может быть той самой «вещью в себе». Физика и зависит от уровня развития общества, и одновременно является двигателем его производительных сил. Вот почему именно науку о природе и ее законах можно считать тем «срезом», по которому видно научный потенциал страны и вектор ее развития.

Глава первая. Век восемнадцатый

Изначально отдельные вопросы физики (преподававшейся по Аристотелю) изучались в рамках курса философии в двух крупнейших славяно-греко-латинских академиях: Киево-Могилянской и Московской. Только в начале XVIII века физика выделилась в самостоятельный предмет, отделившись от натурфилософии, сформировав свои собственные цели и задачи, как и приличествует настоящей дисциплине. Обучение тем не менее продолжалось на классических языках, то есть латинском и греческом, что существенно снижало количество изучаемых предметов.

Тем не менее, забегая вперед, отметим, что работа по созданию отечественной методической литературы по физике началась в России куда раньше, чем на Западе. Ведь у нас физика как учебный предмет была введена в школу в конце XVIII века, в то время как в Европе – только в конце XIX.

Пока же – Петр Первый. Эта фраза содержит в себе все: ожидание европеизации образования, его распространения и популяризации. Бороды тут ни при чем, забудьте о бородах. Повсеместное открытие новых учебных заведений позволило физике выйти на новый уровень и во второй половине XVIII века стать отдельным предметом в университетах.

Линия УМК А. В. Перышкина. Физика (7-9 классы) В доработанную версию УМК в конец каждой главы был добавлен обобщающий итоговый материал, включающий краткую теоретическую информацию и тестовые задания для самопроверки. Учебники также были дополнены заданиями разных типов, направленных на формирование метапредметных умений: сравнение и классификацию, формулирование аргументированного мнения, работу с разнообразными источниками информации, в том числе электронными ресурсами и интернетом, решение расчетных, графических и экспериментальных задач

Глава вторая. Век девятнадцатый

От чего зависит успешность преподавания любого предмета? От качества программ, методов, материальной базы и языка учебников, наличия физических приборов и реактивов, уровня самого педагога.

В период, о котором мы говорим, единой программы по физике не существовало ни в школе, ни в университете. Что делали школы? Школы работали на основании материалов, которые разрабатывались в учебном округе, университеты – опираясь на курс авторитетного автора либо следуя авторскому курсу, утвержденному Коллегией профессоров.

Все изменилось во второй половине века. Уже упомянутый Физический кабинет Московского университета рос, коллекция демонстрационных приборов увеличивалась, активно влияя на эффективность преподавания. А в программе по физике 1872 года рекомендовалось давать учащимся основательные знания, для этого же «ограничиться числом фактов по каждому отделу явлений и изучать их вполне, чем иметь огромное количество поверхностных сведений». Вполне логично, учитывая, что теория физики на тот момент была логична и лишена крайне неустойчивых дилемм.

О педагогической деятельности Николая Алексеевича Любимова , выдающегося русского физика, профессора, одного из учредителей Московского математического общества, писали так: «Педагогическая деятельность Н. А. в Московском университете, несомненно, представляла значительный шаг вперед. В постановке преподавания физики приходилось начинать почти с азбуки, и доведение его до совершенства, которого оно достигло в руках Η. Α., требовало больших усилий и недюжинных способностей».Так-так, азбука – метафора или реальное положение дел? Кажется, что реальное и довольно похожее на современное положение дел во многих образовательных учреждениях.

Одним из самых популярных методов преподавания физики в XIX веке было механическое заучивание материала, в первом круге – по записям лекций, позже – по кратким учебникам. Неудивительно, что состояние знаний студентов вызывало тревогу. Тот же Николай Алексеевич довольно ясно выразился об уровне знаний гимназистов:

«Величайший недостаток учения у нас состоит в том, что оно доставляет только поверхностные сведения… Не одну сотню ответов пришлось нам слушать на экзаменах. Впечатление одно: отвечающий не понимает того, что сам доказывает».

Другой выдающийся и знакомый всем русский хирург, естествоиспытатель и педагог Николай Иванович Пирогов придерживался того же мнения, высказываясь в поддержку идеи важности не только личных качеств учителя, но методов его деятельности.

«Пора понять нам, что обязанность гимназического учителя не состоит только в одном сообщении научных сведений и что главное дело педагогики состоит именно в том, как эти сведения будут сообщены ученикам».

Понимание ошибочности такого подхода позволило перейти к принципиально новому по сравнению с веком восемнадцатым методу экспериментального преподавания. Не детальное изучение приборов и заучивание текста поставлено во главу угла, но самостоятельное получение новых знаний из анализа опытов. Список приборов Московского университета, составленный в 1854 году, насчитывал 405 приборов, большинство из них относились к разделу механики, около 100 – к разделу электричества и магнитных свойств, порядка 50 приборов – к теплоте. Стандартный набор любого кабинета и приборы, описание которых можно было бы найти в любом учебнике: архимедов винт, сифоны, ворот, рычаг, геронов фонтан, барометр, гигрометр.

Устав 1864 года предписывал реальным (в приоритете предметы естественно-научного цикла) и классическим гимназиям иметь в распоряжении физические кабинеты, первым же – и химический класс в придачу. Активное развитие физики в 1860-х, ее неразрывная связь с промышленностью и развитием техники, общее повышение уровня студентов, как и количества желающих посвятить себя прикладной дисциплине, влияющей на будущее отечества, привели к «научному голоданию». Как это? Это острое ощущение нехватки специалистов, обладающих практикой научной работы. Как решить эту проблему? Верно, учить, как работать, и учить, как учить.

Первой обобщающей работой по методике преподавания физики стала книга Федора Шведова , выпущенная в 1894 году, «Методика физики». В ней были рассмотрены построение учебного курса, классификация методов и их психологическое обоснование, впервые было дано описание задач предмета.

«Задача науки методики состоит не только в развитии искусства, так сказать, виртуозности изложения, а главным образом в выяснении логических основ науки, которые могли бы послужить точкой отправления как для выбора материала, так и для порядка его расположения в каждом излагаемом курсе, цель которого предполагается намеченною».

Эта идея была прогрессивной для своего времени, более того, абсолютно не утратила своего значения и в современности.

Дореволюционный период характеризовался резким ростом числа методических изданий. Если собрать все новаторские идеи, содержащиеся в трудах Лерманова, Глинки, Баранова и Кашина, может получиться интереснейший список:

• Внедрение «плодоносных», а не «стерильных» теоретических знаний.
• Широкое использование демонстраций.
• Двухступенчатая система.
• Разработка и применение самодельных приборов.
• Восприятие физики как дисциплины, формирующей мировоззрение.
• Экспериментальный метод как одна из основ обучения.
• Применение индукции и дедукции.
• Творческое сочетание теории и эксперимента.

Именно расширение научных лабораторий, внедрение практик лабораторных работ в гимназическом и университетском образовании, развитие научных исследований привели к всплеску научных открытий на рубеже веков. Многие тенденции остались неизменными до наших дней, обеспечивая непрерывность и постоянное усовершенствование преподавания одной из самых важных для понимания мира дисциплин.

Глава третья. Век двадцатый

Линия УМК Н. С. Пурышевой. Физика (10-11 классы) Основой курса, написанного по авторской программе, является индуктивный подход: путь к теоретическим построениям лежит через повседневный жизненный опыт, наблюдения за окружающей действительностью и простые эксперименты. Большое внимание уделяется практическим работам школьников и дифференцированному подходу к обучению. Учебники позволяют организовать и индивидуальную и групповую работу старшеклассников, благодаря чему развиваются навыки как самостоятельной деятельности, так и сотрудничества в команде.

Школьникам и студентам необходимо было все это объяснить. За полвека представление о мире поменялось, значит, должна была поменяться и педагогическая практика. Величайший прорыв в микромир, квантовая теория, специальная теория относительности, физика атомного ядра и физика высоких энергий.

Как же строилось преподавание физики в России после революции 1917? Строительство новой единой трудовой школы на социалистических принципах кардинально изменило содержание и методы обучения:

• Значение физики было по достоинству оценено в учебном плане и в преподавании.
• Были созданы НИИ и центры по педагогическим наукам, а также организованы кафедры методики в педагогических вузах.
• Советская физика не отменяет наработок и прогрессивных тенденций дореволюционного периода, НО.
• Ее особенностью (как же без этого?) становится материализм, содержание исследований идет неразрывно с потребностями и направлением движения страны. Борьба с формализмом – собственно, почему бы и нет.

Весь мир в середине XX столетия переживает научно-техническую революцию, роль советских ученых в которой неоценима. Об уровне советского технического образования ходят легенды. С конца 1950-х и до 1989 года, когда страна вступает в период нового кризиса, физика развивается интенсивно, а методика ее преподавания отвечает на целый ряд вызовов:

• Новый курс должен соответствовать новейшим достижениям науки и техники. Учебники 1964 года уже содержали в себе сведения об ультразвуке, искусственных спутниках Земли, невесомости, полимерах, свойствах полупроводников, ускорителях заряженных частиц (!). Была даже введена новая глава – «Физика и технический прогресс».
• Новые пособия и учебники для средней школы должны отвечать новым требованиям. Каким? Материал излагается доступно, интересно, с широким применением эксперимента и четким раскрытием законов физики.
• Познавательная деятельность учащихся должна выйти на новый уровень. Именно тогда окончательно сформировались три функции урока: образовательная, воспитательная и развивающая.
• Технические средства обучения – как же без них? Система школьного физического эксперимента должна совершенствоваться.

Именно советские методисты внесли существенный вклад в совершенствование структуры и методики преподавания технических дисциплин. Новые формы уроков физики, используемые и по сей день: проблемный урок, конференция-урок, урок-семинар, урок-экскурсия, практические занятия, экспериментальные задачи, – были разработаны в СССР.

«Методика физики должна разрешить три задачи: для чего учить, чему учить и как учить?» (учебник И. И. Соколова).

Обратите внимание на очередность, в ней – основа хорошего образования.

Глава четвертая. Век двадцать первый

Эта глава еще недописана, она открытый лист, который необходимо заполнить. Как? Создав предмет, который будет отвечать и техническому прогрессу, и задачам, которые в данный момент стоят перед отечественной наукой, и цели стимулирования научного и изобретательского потенциала ученика.

Дайте школьнику текст урока – он его выучит.

Дайте школьнику текст урока и приборы – и он поймет принцип их работы.

Дайте школьнику текст лекции, приборы и учебное пособие – и он научится систематизировать свои знания, поймет действие законов

Дайте школьнику учебники, лекции, приборы и хорошего преподавателя – и у него появится вдохновение к научной работе

Дайте школьнику все это и свободу, Интернет, и у него будет возможность мгновенно получить любую статью, создать 3D-модель, посмотреть видео эксперимента, быстро рассчитать и проверить свои выводы, постоянно узнавать новое – и вы получите человека, который научится сам ставить вопросы. Не это ли самое важное в обучении?

Новые учебно-методические комплексы «Российского учебника»* – это соединение всех четырех столетий: текста, заданий, обязательных лабораторных работ, проектной деятельности и электронного обучения.

Мы хотим, чтобы вы сами написали четвертую главу.

Ольга Давыдова
*С мая 2017 года объединенная издательская группа «ДРОФА-ВЕНТАНА» входит в корпорацию «Российский учебник». В корпорацию также вошли издательство «Астрель» и цифровая образовательная платформа «LECTA». Генеральным директором назначен Александр Брычкин, выпускник Финансовой академии при Правительстве РФ, кандидат экономических наук, руководитель инновационных проектов издательства «ДРОФА» в сфере цифрового образования.

Всю историю развития физики, как и естествознания, можно условно разделить на три этапа - доклассический, классический и современный.

Этап доклассической физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать обоснованным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Этот этап - самый длительный: он охватывает период от времени Аристотеля (IV в. до н.э.) до конца XVI в.

Начало этапа классической физики связывают с работами итальянского ученого Галилео Галилея, одного из основателей точного естествознания, и трудами английского математика, механика, астронома и физика Исаака Ньютона, основоположника классической физики. Второй этап длился около трех веков до конца XIX в.

К началу XX в. были получены экспериментальные результаты, трудно объяснимые в рамках классических знаний. Поэтому был предложен совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовую гипотезу впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк, вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. С введением квантовой концепции начинается третий этап развития физики - этап современной физики , включающий не только квантовые, но и классические представления.

Этап доклассической физики открывает геоцентрическая система мировых сфер Аристотеля, которая родилась на подготовленной его предшественниками идейной почве. Переход от эгоцентризма - отношения к миру, характеризующегося сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму - первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, дополнилась аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал более завершенным, но оставался ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов - обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носившие в основном умозрительный характер, подтвердились гораздо позднее - в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел, доживало свои последние годы.

Почти полторы тысячи лет отделяет завершенную геоцентрическую систему древнегреческого астронома Клавдия Птолемея (ок. 90-ок. 160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы польского математика и астронома Николая Коперника. В центре гелиоцентрической системы находится не Земля, а Солнце. Вершина гелиоцентрической системы - законы движения планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером, одним из творцов естествознания Нового времени.

Астрономические открытия Галилео Галилея, его физические эксперименты и фундаментальные законы механики, сформулированные Исааком Ньютоном, положили начало этапу классической физики, который нельзя отделить четкой границей от первого этапа. Для физики и естествознания в целом характерно поступательное развитие: законы Кеплера - венец гелиоцентрической системы с весьма длительной, начавшейся еще в древние времена историей; законам Ньютона предшествовали законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики. Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т.е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристотелевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной. Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил представление Аристотеля об инерции, характеризующее равномерное движение небесных тел вокруг Земли, применять для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении.

Кеплер и Галилей пришли к своим кинематическим законам, предопределившим принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона. Законы Кеплера и закон всемирного тяготения Ньютона послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, открытой в 1781 г. английским астрономом Уильямом Гершелем (1738-1822), английский астроном и математик Джон Адаме (1819-1892) и французский астроном

бен Леверье (1811-1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование заурановой планеты, которую обнаружил в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812-1910). Она называется Нептун. В 1915 г. американский астроном Персиваль Ловелл (1855-1916) рассчитал и организовал поиск еще одной планеты. Ее обнаружил в 1930 г. молодой американский любитель астрономии Клайд Томбо. Эта планета получила название Плутон.

Этап классической физики характеризуется крупными достижениями не только в классической механике, но и в других отраслях: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т.п. Назовем важнейшие из них:

• * установлены опытные газовые законы;
• * предложено уравнение кинетической теории газов;
• * сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики;
• * открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции;
• * разработана электромагнитная теория;
• * явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование;
• * сформулированы законы поглощения и рассеивания света.

Конечно, можно назвать и другие не менее важные естественно-научные достижения. Особое место в физике занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Дж.К. Максвеллом, создателем теории классической электродинамики, одним из основоположников статистической физики. Он установил, кроме того, статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Теория электромагнитного поля (уравнения Максвелла) объяснила многие известные к тому времени явления и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и эта теория оказалась не всесильной.

В конце XIX в. при экспериментальном изучении спектра излучения абсолютно черного тела была установлена закономерность распределения энергии. Полученные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. Такие результаты эксперимента не удалось объяснить в рамках классической электродинамики Максвелла. Эта проблема была названа «ультрафиолетовой катастрофой».

Согласующееся с экспериментом объяснение предложил в 1900 г. Макс Планк. Для чего ему пришлось отказаться от общепринятого положения классической физики о том, что энергия любой системы изменяется только непрерывно, т.е. принимает любые сколь угодно близкие значения. В соответствии с выдвинутой Планком квантовой гипотезой атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте.

Характерная особенность этапа современной физики заключается в том, что наряду с классическими развиваются квантовые представления. На основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц - появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.

В одной из своих статей М. Планк писал о том, как во времена его молодости (примерно в 1880 г.) один уважаемый профессор не советовал заниматься физикой, полагая, что в физике осталось только стирать пыль с существующих физических приборов, так как главное уже сделано. Сейчас очевидно: профессор в своих прогнозах ошибался - XX столетие принесло немало великих открытий в физике, определивших многие перспективные направления развития разных отраслей естествознания.

В формировании квантово-механических представлений важную роль сыграла квантовая теория фотоэффекта, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. Именно за эту работу и вклад в теоретическую физику, а не за теорию относительности, ему в 1921 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

В развитие современной физики существенный вклад внесли выдающиеся ученые, среди которых следует назвать датского физика Нильса Бора (1885-1962), создавшего квантовую теорию атома, немецкого физика-теоретика Вернера Гейзенберга (1901-1976), сформулировавшего принцип неопределенности и предложившего матричный вариант квантовой механики, финского физика-теоретика Эрвина Шредингера (1887-1961), разработавшего волновую механику и предложившего ее основное уравнение (уравнение Шредингера), английского физика Поля Дирака, разработавшего релятивистскую теорию движения электрона и на ее основании предсказавшего существование позитрона, английского физика Эрнеста Резерфорда (1871-1937), создавшего учение о радиоактивности и строении атома, и многих других.

В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность и выдвигались идеи о строении атомного ядра. В 1938 г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики.

В исследовании ядерных процессов важную роль играют детекторы частиц, в том числе и черенковский счетчик, принцип действия которого основан на Черенкова - Вавилова излучении света, которое возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превосходящей фазовую скорость света в нем. Это излучение было обнаружено в 1934 г. нашим соотечественником, физиком П.А. Черенковым (1904-1990), лауреатом Нобелевской премии 1958 г., под руководством академика СИ. Вавилова (1891-1951), основателя научной школы физической оптики.

Одно из крупнейших достижений физики XX в. - это, безусловно, создание в 1947 г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли, удостоенными в 1956 г. Нобелевской премии по физике. С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология - полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания - микроэлектроника. В 1958 г. собрана первая интегральная схема в виде пластины из монокристалла кремния площадью несколько квадратных сантиметров, на которой располагались два транзистора и RC-цепи. Современный микропроцессор размером 1,8 см содержит около 8 млн транзисторов. Если размеры элементов первых транзисторов составляли доли миллиметра, то сегодня они равны 0,35 мкм. Это современный технологический уровень. В последнее время разрабатывается технология формирования элементов нанометровых размеров.

Создание квантовых генераторов на основе вынужденного излучения атомов и молекул - еще одно важнейшее достижение физики XX в. Первый квантовый генератор на молекулах аммиака - источник электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне (мазер) - разработан в 1954 г. российскими физиками Н.Г. Басовым, A.M. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом. В 1964 г. за эту работу им присуждена Нобелевская премия по физике. К настоящему времени разработано много модификаций квантовых генераторов, в том числе и оптических квантовых генераторов, называемых лазерами, получивших широкое практическое применение. Появились уникальные лазеры - химические, атомные и другие, которые открывают перспективные направления лазерных технологий.

Высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 г. немецким физиком Г. Беднорцем и швейцарским ученым А. Мюллером, удостоенными Нобелевской премии 1987 г., - вне всякого сомнения выдающееся достижение современного естествознания. Созданию единой теории фундаментальных взаимодействий, управлению термоядерным синтезом - этим и многим другим проблемам современной физики уделяется большое внимание, и в их решении принимают участие ученые многих стран.

Реферат на тему: «История физики»

Развитие физики

Физика относится к числу естественных наук, задачей которых является изучение природы в целях её подчинения человеку.

В древности слово «фи ика») означало природоведение. Впо­следствии природоведение расчленилось на ряд наук: физику, химию, астрономию, геологию, биологию, ботанику и т. д.

Среди этих наук физика занимает в известной мере особое поло­жение, так как предметом её изучения служат все основные, наиболее общие, простейшие формы движения материи.

Накопление знаний о явлениях природы происходило уже в глу­бокой древности. Даже первобытные люди, замечая черты сходства и различия в явлениях окружающего мира, приобретали из своей практики некоторые знания о природе. В дальнейшем систематизиро­вание накопленных знаний привело к возникновению науки.

Расширение и уточнение знаний о явлениях природы производи­лось людьми вследствие практических потребностей посредством на­блюдений, а на более высокой стадии развития науки - посредством экспериментов (наблюдение - это изучение явления в естественной обстановке, эксперимент - воспроизведение явления в искусственной обстановке в целях обнаружения особенностей данного явления в за­висимости от созданных условий).

Для объяснения явлений создавались гипотезы. Выводы из на­блюдений, экспериментов и гипотез проверялись при многообразном взаимодействии науки и практики; практика указывала способы уточ­нения научного опыта (наблюдений и экспериментов), исправляла гипотезы, обогащала науку. Наука в свою очередь обогащала прак­тику.

По мере того как расширялось применение научных знаний к пра­ктике, возникала потребность в использовании этих знаний для пред­сказания явлений, для расчёта следствий того или иного действия. Это привело к необходимости взамен разрозненных гипотез создать обобщающие и обоснованные теории.

Впервые потребность в теории возникла при возведении построек и сооружений и привела к развитию механики, в первую очередь учения о равновесии. В древнем Египте и Греции разрабатывались статика твёрдых тел и гидростатика. Потребность в определении времени для земледельческих работ и необходимость определения направления при мореходстве дали толчок к развитию астрономии. Целый ряд отделов знания был обоснован и систематизирован древ­негреческим мыслителем Аристотелем. Его «Физика» (в 8 книгах) на долгое время определила общее физическое мировоззрение.

Знания о природе по мере их накопления использовались господ­ствующими классами в своих интересах; в глубокой древности наука находилась в руках служителей культа (жрецов) и была тесно свя­зана с религией. Лишь в древней Греции наукой начали заниматься представители других привилегированных слоев общества. Лучшие представители античной натурфилософии, т. е. философии природы (Левкипп, Демокрит, Лукреций), положили начало материалистиче­скому пониманию природы и, несмотря на крайнюю недостаточность фактического материала, пришли к представлению об атомном строе­нии материи.

Распад античного общества временно приостановил развитие науки. В эпоху средних веков христианская церковь, опиравшаяся на господствующие классы феодального строя, чрезвычайными жестокостями, инквизицией, казнями подчинила философию целям богословия. Физика Аристотеля догматической трактовкой её, исключавшей воз­можность прогресса, была приспособлена церковью для укрепления авторитета священного писания. В это время, главным образом у ара­бов, создавших обширные государства и ведших оживлённую тор­говлю с отдалёнными странами, сохранились и получили некоторое развитие элементы наук, воспринятые от греков и римлян, в особен­ности по механике, астрономии, математике, географии.

В XV-XVI вв. на основе развёртывания европейской торговли и промышленности начались быстрый рост и оформление сначала меха­ники и астрономии, а в дальнейшем и наук, составляющих основу промышленной техники, - физики и химии. Работы Коперника, Кеп­лера, Галилея и их последователей сделали науку мощным орудием борьбы буржуазии с оплотом отживавшего феодального строя - ре­лигией. В борьбе с церковью был выдвинут научный принцип: вся­кое подлинное знание основано на опыте (на совокупности наблюде­ний и экспериментов), а не на авторитете того или иного учения.

В XVII в. крупная буржуазия стремилась к компромиссу с остат­ками господствующих классов феодального строя. Соответственно представители науки были вынуждены изыскивать компромисс с ре­лигией. Ньютон наряду с гениальными научными работами написал толкование на церковную книгу - апокалипсис. Декарт в своих фило­софских произведениях старался доказать бытие бога. Учёные поддерживали ложную идею о первом толчке, в котором якобы нужда­лась вселенная, чтобы придти в движение.

Развитие механики наложило свой отпечаток на научную теорию того времени. Учёные пытались рассматривать мир как механизм и стремились объяснить все явления путём сведения их к механическим перемещениям.

В этот период развития естествознания огромное применение по­лучило понятие силы. При каждом вновь открытом явлении приду­мывалась сила, которая объявлялась причиной явления. До сих пор в физике сохранились следы этого в обозначениях: живая сила, сила тока, электродвижущая сила и т. д.

Научные теории этого периода, рассматривавшие мир как неиз­менно движущуюся машину, отрицали развитие материи, переходы движения из одной формы в другую. Несмотря на успехи в расши­рении экспериментального материала, наука оставалась на позиции механистического мировоззрения.

В XVIII в. Ломонос ов правильно предугадал картину молекулярно-кинетического строения тел и высказал впервые единый закон веч­ности материи и её движения словами: «... все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого... Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила дви­жения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

В те же годы теория Канта и Лапласа о развитии солнечной системы из туманности устранила идею о необходимости первого толчка.

В XIX в. на основе колоссального роста производительных сил в период расцвета промышленного капитализма прогресс науки чрез­вычайно ускорился. Потребность в мощном и универсальном двига­теле для индустрии и транспорта вызвала изобретение паровой ма­шины, а её появление побудило учёных к изучению тепловых про­цессов, что привело к развитию термодинамики и молекулярно-кинетической теории. В свою очередь на основе термодинамики оказалось возможным конструировать более мощные и экономичные типы дви­гателей (паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания). Мы видим на этом примере, как практика побуждает к развитию научную теорию, а теория в дальнейшем занимает ведущую роль по отно­шению к практике.

Другим примером сложного взаимодействия теории и практики является развитие теории электричества и электротехники. Отрывоч­ные сведения об электрических явлениях имелись уже давно. Но только после того, как была открыта электрическая природа молнии, а затем был открыт гальванический ток, физика концентрирует своё внимание на изучении электричества. Фарадей, Максвелл, Ленц и др. разработали физические основы современной электротехники. Про­мышленность быстро использовала научные открытия и широким раз­витием техники открыла небывалые возможности для научного экспе­римента. Исследование молекулярного строения тел вскрыло электри­ческую природу молекулярных и атомных взаимодействий, что в свою очередь привело в наши дни к открытию атомной формы движения материи, раскрывающей необозримые перспективы для новой тех­ники.

Ряд открытий - закон сохранения и превращения энергии, теория электромагнитных волн, открытие электронов и радиоактивности - окончательно ниспроверг учение о неизменности природы. Механицизм потерпел крушение.

Правильно оценить, понять суть новых научных открытий оказалось возможным только с позиций созданной Марксом и Энгель­сом философии диалектич еского материализма.

«Диалектический материализм есть мировоззрение марксистско-ленинской партии. Оно называется диалектическим материализмом потому, что его подход к явлениям природы, его метод изучения явлений природы, его метод познания этих явлений является диале­ктическим, а его истолкование явлений природы, его понимание явлений природы, его теория-материалистической».

Явления природы при диалектическом подходе к ним нужно рас­сматривать в их взаимосвязи, взаимообусловленности, взаимозависи­мости и в их развитии, учитывая при этом, что количественные изме­нения приводят к коренным качественным превращениям, что разви­тие явлений порождается борьбой скрытых в них противоречий.

Диалектический подход к явлениям природы обеспечивает неиска­жённое, правильное отражение действительности в нашем сознании. Это решающее, абсолютное преимущество диалектического метода над всеми другими подходами к изучению явлений природы объ­ясняется тем, что основные черты, характеризующие диалектический метод, не придуманы произвольно, не навязывают нашему познанию искусственных, не свойственных ему мёртвых схем, но, напротив, точно воспроизводят самые общие, не имеющие исключений законы диалектики природы.

Все науки, в частности физика, наглядно, каждым фактом под­тверждают, что:

во-первых, любое явление происходит в органической, неразрыв­ной связи с окружающими явлениями; желая обособить явление, разорвать его связь с окружающими явлениями, мы неизбежно иска­жаем явление;

во-вторых, всё существующее подвержено закономерному и неис­черпаемому изменению, развитию, присущему самой природе вещей;

Всю историю физики можно условно разделить на три основных этапа:

· древний и средневековый,

· классической физики,

· современной физики .

Первый этап развития физики иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать полностью оправданным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала XVII в., поэтому и называется древним и средневековым этапом .

Начало второго этапа – этапа классической физики – связывают с одним из основателей точного естествознания – итальянским ученым Галилео Галилеем и основоположником классической физики, английским математиком, механиком, астрономом и физиком Исааком Ньютоном. Второй этап продолжался до конца XIX в.

К началу XX столетия появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовый подход впервые ввел в 1900 г. немецкий физик Макс Планк (1858–1947), вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. Его трудами открывается третий этап развития физики – этап современной физики , включающий не только квантовые, но и классические представления.

Дадим краткую характеристику каждого из этапов. Принято считать, что первый этап открывает геоцентрическая система мировых сфер, разработанная Аристотелем. Учение о геоцентрической системе мира начиналось с геоцентрической системы кольцевых мироустроений еще гораздо раньше – в VI в. до н. э. Ее предложил Анаксимандр (ок. 610 – после 547 до н. э.), древнегреческий философ, представитель Милетской школы. Данное учение было развито Евдоксом Книдским (ок. 406 – ок. 355 до н. э.), древнегреческим математиком и астрономом. Геоцентрическая система Аристотеля родилась, таким образом, на подготовленной его предшественниками идейной почве.

Переход от эгоцентризма – отношения к миру, которое характеризуется сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму – первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения ростков естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, была дополнена аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал как бы более завершенным – специфическим, но оставаясь ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов – обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носившие в основном умозрительный характер, подтверждались гораздо позднее – в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т. е. на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел уже доживало свои последние годы.

Почти полторы тысячи лет отделяет завершенную геоцентрическую систему греческого астронома Клавдия Птоломея (ок.90 – ок. 160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы (рис. 3.1) польского математика и астронома Николая Коперника (1473–1543). Вершиной гелиоцентрической системы можно считать законы движения планет, открытые немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571–1630), одним из творцов астрономии нового времени.

Рис. 3.1. Система мира по Копернику (в центре Солнце)

Астрономические открытия Галилео Галилея и его физические эксперименты, а также общие динамические законы механики вместе с универсальным законом всемирного тяготения, сформулированные Исааком Ньютоном, положили начало классическому этапу развития физики .

Между названными этапами нет четких границ. Для физики и естествознания в целом характерно в большей степени поступательное развитие: законы Кеплера – венец гелиоцентрической системы с весьма длительной историей, начавшейся еще в древние времена; законам Ньютона предшествовали законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики.

Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т. е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристотелевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов его механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной.

Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил применять закон инерции Аристотеля, характеризующий равномерное движение небесных тел вокруг Земли, для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении. Мысленно расчленяя всевозможные земные тела на отдельные части, он установил для них закон одинаково быстрого (или одинаково равномерно ускоренного) свободного падения независимо от их массы, когда свободное падение в вертикальном направлении к центру Земли происходит в идеальных условиях, без какого бы то ни было сопротивления, т. е. в пустоте. Этот закон находится в противоречии с канонизированным аристотелевским учением, в соответствии с которым «природа не терпит пустоты», и весомые тела падают в реальных условиях под действием присущей им силы тяжести на самом деле тем быстрее, чем больше их массы.

Кеплер и Галилей, отталкиваясь таким образом от первоначальных представлений, радикально пересмотрели всю механику. В результате перехода от геоцентризма к гелиоцентризму они пришли к своим кинематическим законам, которые предопределили принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона со всеми сформулированными им классическими динамическими законами, включая универсальный закон всемирного тяготения. При этом из «Математических начал натуральной философии» – фундаментального труда Исаака Ньютона – можно заключить, что его динамические законы не только следуют из соответствующих кинетических законов Кеплера и Галилея, но и сами могут быть положены в основу всех трех кинематических законов Кеплера и обоих кинематических законов Галилея, а также всевозможных теоретически ожидаемых отклонений от них из-за сложного строения и взаимных гравитационных возмущений взаимодействующих тел.

Законы Кеплера послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, сделанных в 1781 г. английским астрономом и оптиком Уильямом Гершелем (1738–1822), английский астроном и математик Джон Кауч Адамс (1819–1892) и французский астроном Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование еще одной – заурановой планеты, которую обнаружил на небе в 1846 г. немецкий астроном Иоганн Галле (1812–1910). Эта планета носит название Нептун. Затем американский астроном Персиваль Ловелл (1855–1916) аналогично предсказал в 1905 г. существование еще одной заурановой планеты и организовал в созданной им обсерватории ее систематические поиски, в результате которых молодой американский любитель астрономии открыл в 1930 г. искомую новую планету – Плутон.

Стремительными темпами развивалась не только классическая механика Ньютона. Этап классической физики характеризуется также крупными достижениями и в других отраслях физики: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т. п. Ограничимся перечислением некоторых наиболее важных достижений. Были установлены опытные газовые законы. Предложено уравнение кинетической теории газов. Сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики. Открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции. Явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование. Установлены законы поглощения и рассеивания света.

Конечно, можно было бы назвать и другие не менее важные достижения, среди которых особое место занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Максвелл является не только создателем классической электродинамики, но и одним из основоположников статистической физики. Он установил статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Развивая идеи Майкла Фарадея (1791–1867), он создал теорию электромагнитного поля (уравнения Максвелла), которая не только объясняла многие известные к тому времени электромагнитные явления, но и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и теория Максвелла оказалась не всемогущей.

В конце прошлого столетия при изучении спектра излучения абсолютно черного тела была экспериментально установлена закономерность распределения энергии в спектре излучения. Экспериментальные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. В рамках классической электродинамики Максвелла не удалось объяснить закономерность распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Правильное, согласующееся с опытными данными выражение для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела было найдено в 1900 г. Максом Планком. Для этого ему пришлось отказаться от установившегося положения классической физики, согласно которому энергия любой системы может изменяться непрерывно, т. е. может принимать любые сколь угодно близкие значения. Согласно выдвинутой Планком квантовой гипотезе, атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями – квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания.

Характерная особенность третьего этапа развития физики – современного этапа – заключается в том, что наряду с классическими широко внедряются квантовые представления, на основании которых объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц, и в связи с которыми возникли новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.