Элективный курс "Физика и опыт"
элективный курс по физике (8 класс) по теме

Программа курса « Физика и опыт »

для предпрофильной подготовки учащихся 8, 9 классов.

Автор-составитель:

Войнова Ольга Викторовна,

учитель физики

Пояснительная записка

Программа обучения построена таким образом, что она будет доступна учащимся разного уровня подготовки. Ознакомление школьников с историей физики помогает насытить школьный курс физики яркими историческими фактами, представить основные понятия и законы физики в их развитии. В курсе физики основной школы роль ученых освещается в связи с общим ходом развития физики. В предлагаемом элективном курсе акцент будет сделан на изучении истории физики и ее творцов, на взаимосвязь различных открытий, практического применения физических знаний в жизни людей разных времен. Показать динамику развития важнейших идей и теорий крайне важно для развития мышления учащихся, а также для формирования их научного мировоззрения и творческих способностей, поскольку подобный подход знакомит учеников с фундаментальными проблемами, возникавшими в физике, и путями их решения. Эти проблемы возникали каждый раз, когда обнаруживались противоречия между вновь открываемыми опытными фактами и прежними представлениями, неспособными их объяснить. Преодоление таких противоречий всегда означало появление новых или существенное развитие существующих теорий. «...Каждый раз, когда научное знание в данной области принимало законченную форму теории, опыт и наблюдение вне нас существующего мира обнаруживали новые факты, которые никак не укладывались в рамки теории и, наоборот, явно ей противоречили. Под давлением новых фактов вырастала новая теория»,— писал советский ученый А. Ф. Иоффе.  

Данная программа рассчитана на 16 часов

(1 вариант-16 часов в 9 классе,

2 вариант-8 часов в 8 классе и 8 часов в 9 классе)

Цели и задачи данного курса:

1. углубления знаний о материальном мире и методах научного познания природы на основе знакомства с историей развития физики; логики развития физических идей;
2. усвоение учащимися сути противоречий между теорией и опытом позволяет им глубже понять причины появления новых идей и физических теорий, а также экспериментальные основы этих теорий и в конечном счете сами теории;
3. развития познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся в процессе самостоятельного приобретения знаний и умений по физике с использованием различных источников информации, в том числе средств современных информационных технологий;
4. овладения умениями проводить наблюдения, планировать и выполнять опыты и эксперименты;
5. воспитания навыков сотрудничества в процессе совместной работы, развития способности давать морально-этическую оценку фактам и событиям.

Ожидаемыми результатами занятий являются:

1. получение представлений о вкладе ученых в развитие физики, методах научного познания природы и современной физической картины мира;
2. развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей на основе опыта самостоятельного приобретения новых  знаний,  анализа  и  оценки  новой информации;
3. сознательное самоопределение  ученика относительно профиля дальнейшего обучения или профессиональной деятельности;
4. приобретение опыта поиска информации по заданной теме, составления реферата и устного доклада по составленному реферату, подготовка и проведения презентации по выбранной теме, навыков проведения опытов с использованием простых физических приборов и анализа полученных результатов.

Данный курс создает условия для формирования и развития у учащихся:

1. Интереса к изучению физики;
2. Умения самостоятельно приобретать и применять знания;
3. Интеллектуальных и практических умений в области физического] эксперимента.

В процессе обучения учащиеся приобретают следующие знания, умения, навыки:

1. Формирование различных гипотез, теорий в процессе развития науки, техники;
2. Наблюдать и изучать явления и свойства веществ и тел;
3. Самостоятельно   выполнять   измерения,   отбирать   приборы, представлять результаты измерений, делать выводы.        

Пояснения к учебному материалу

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

МЕХАНИКА

Возникновение и развитие механики (исторический экскурс)

Начало физических знаний. Понятие о силе. Развитие мореплавания. Исследование движения планет. Всемирное тяготение.

Изучение  движения,   (практические,   экспериментальные  и творческие задания)

Равномерное движение (п/р) Равноускоренное движение (п/р) Колебание (п/р) Свободное падение (экспериментальные задачи)

ТЕРМОДИНАМИКА

Возникновение и развитие термодинамики

Температура. О природе теплоты. Изобретение теплового двигателя.

Изучение термодинамики (практические, экспериментальные и творческие задания)

«Варка яиц «по - научному» (задачи). «Таинственная вертушка» (опыты). Нагреваем спицу (задачи, эксперименты).

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Начало изучения электрических явлений.

Атмосферное электричество Электрический ток Электромагнитные явления Световые явления

Изучение    электромагнитных    явлений,    (практические, экспериментальные и творческие задания)

Электродвигатель Применение электромагнита (от привычных до невероятных) Зрительные иллюзии (задачи, опыты).

Примерные темы рефератов:

1. Как измеряют скорость.
2. Почему Луна не падает на Землю.
3. Новые транспортные средства.
4. Трение продолжает службу технике.
5. Из истории авиации.
6. По воде на крыльях.
7. Давление высокое и низкое.
8. Неосуществимая мечта: проекты вечных двигателей.
9. Возникновение парового транспорта.
10. Электризация тел: полезная и вредная.
11. Гроза.
12. Применение электролиза в технике.
13. О земном магнетизме и его изучение.
14. Электрический транспорт.
15. Тепло и холод у нас дома.

        И другие.

Примерное содержание теории.

У ИСТОКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ

Египетские жрецы, наблюдавшие небесные явления, заметили, что с появлением на востоке перед восходом солнца звезды Сириус наступал очередной разлив Нила и приближался сезон вспашки и засева полей. Появление над горизонтом созвездия Девы указывало на близость жатвы.

Подобные же наблюдения велись также в Вавилонии и других странах древнего Востока. С высоты храмов вавилонские жрецы ежедневно наблюдали восход солнца, а по ночам следили за движением планет. В Индии для наблюдения звезд строились специальные каменные сооружения, сохранившиеся до нашего времени близ Дели.

С развитием земледелия и с началом занятия различными ремеслами — ткачеством, прядением, обработкой металлов, изготовлением гончарной посуды — начался обмен продуктами труда. Для вывоза товаров египтяне, финикийцы и другие древние народы стали строить речные и морские суда.

Решение задачи измерения времени также связано с наблюдением движения небесных светил. Время суток определялось по высоте солнца над горизонтом. Древние греки пользовались для измерения времени гномоном (шестом или обелиском), направление и длина тени которого менялись в течение дня. Чем выше поднималось солнце, тем тень становилась короче. В полдень она указывала на север.

Устраивались и более точные солнечные часы, у которых тень от небольшого гномона падала, например, на коническую поверхность. Один из подобных приборов представлял собой чашу с небольшим гномоном внутри. По положению тени на стенке чаши можно было судить о высоте солнца над горизонтом и определять время.

Следя за суточным движением светил с востока на запад, древние наблюдатели заметили, что Луна и Солнце медленно перемещаются на фоне звездного неба в обратном направлении, т.е. с запада на восток. Период, в течение которого Луна совершает полный круг с запада на восток, был назван месяцем. Солнце движется среди звезд медленней, чем Луна, и заканчивает свой круговой путь в течение периода, названного годом. Как единица измерения времени год использовался древними египтянами, вавилонянами, греками и другими народами.

Необходимость измерения времени, определения мореходами направления движения судна и другие потребности практической жизни требовали изучения движения светил. Их наблюдением, как уже было сказано, занимались все культурные народы древнего Востока. Позднее, познакомившись с результатами изучения неба, древние греки создали науку о строении вселенной и движении небесных светил — астрономию.

В своих расчетах древние астрономы начали использовать достижения математики, которая, в свою очередь, возникала из необходимости измерения длин, площадей и объемов. В древнем Египте, Вавилонии, Индии возводились огромные храмы, пирамиды и другие сооружения. Землемерам и строителям нужны были меры длины и площадей. Поэтому уже в древних культурных странах государственной властью утверждались металлические или деревянные образцы единиц длины, от которых производились меры площадей и объемов.

Математические понятия также возникли из повседневного опыта. Люди научились считать по пальцам, усвоив сперва правила сложения и вычитания. Считая различные предметы, древние люди делали зарубки на палке. Лишь значительно позднее появилось отвлеченное понятие числа, а затем и условные его обозначения.

Египтяне, вавилоняне, индусы и другие древние народы Востока уже употребляли для указания арифметических действий вместо слов особые знаки. Имелись знаки сложения и вычитания, равенства и даже извлечения корня. Особыми знаками обозначались числа 1,10, 100, 1000, 10 000 и 100000. Имелось представление даже о миллионе, который обозначался фигурой человека, поднявшего руки в знак удивления.

В Британском музее в Лондоне хранится найденный в Египте папирус Rhind, который заключает в себе математическое сочинение некоего Ахмеса, написанное почти за 2000 лет до н.э. При этом автор прямо говорит, что его сочинение составлено по еще более древним источникам.

При решении задач Ахмес уже пользовался дробями с числителем, равным единице. Другие дроби он изображал суммой дробей, числитель которых равен единице. Решая различные задачи, Ахмес производил с дробями сложение, вычитание, умножение и деление. Он решал задачи, приводящие по существу к уравнениям первой степени с одним неизвестным, причем имелся особый знак, изображавший искомую величину.

Примерно такими же математическими познаниями обладали и древние вавилоняне, которые, кроме того, уже умели решать квадратные уравнения. От вавилонян остались записи на глиняных дощечках, найденные около середины прошлого века при археологических раскопках в Месопотамии.

Египтяне уже умели вычислять площадь треугольника. Они знали, что у треугольника со сторонами 3, 4, 5 против самой длинной стороны лежит прямой угол, и пользовались этим в землемерной практике.

Познания египтян в геометрии впоследствии высоко ценились древними греками. Но полученные египетскими землемерами сведения еще не были наукой, хотя и послужили началом возникновения геометрии. Логически стройную систему геометрических знаний дал александрийский ученый Евклид (Ш в. до н. э.).

На примере развития геометрии можно видеть, как полученные из практики сведения становятся основой науки, которая затем развивается самостоятельно и сама уже служит практике.

С появлением городов и возведением крупных сооружений у древних греков возникла механика, также пользовавшаяся математикой. Вначале эта наука изучала законы работы простых машин — рычага, ворота, блока. Применяя при строительстве зданий, водопроводов и других сооружений различные машины, древние греческие и римские, а позднее и средневековые инженеры на практике изучали условия равновесия сил.

Добытые из практики знания по механике еще не представляли собой науки. Но, основываясь на них, ученые постепенно приближались к пониманию законов равновесия и движения, законов механики.

Попытка создать науку о природе — физику — впервые была сделана древнегреческими философами. Но эти мыслители не только не производили каких-либо экспериментов, но даже не вполне использовали повседневный опыт ремесленников. Аристотель (384—322 до н. э.) написал «Физику», дошедшую до нашего времени. Однако- из всех физических явлений он в первую очередь интересовался механическим движением тел. Аристотель, как писал известный русский механик А. Н. Крылов, «не заботился об установлении точных количественных соотношений между различными величинами, рассматриваемыми в наше время при изучении движения тел. Он стремился проникнуть в самую сущность этого явления, утверждая, что если тело переместилось из одного места в другое, значит, оно в первом месте исчезло, а во втором возникло».

В рабовладельческом обществе древней Греции физика была умозрительной, основанной на произвольных допущениях или на результатах повседневных не вполне понятных наблюдений. Для дальнейшего прогресса физики было необходимо экспериментальное изучение природы, выдвижение основанных на результатах экспериментов гипотез и проверка их на опыте.

Где же кончается повседневный опыт и начинается научное исследование? Великий русский химик Д. И. Менделеев (1834—1907) по этому поводу сказал: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять». Например, люди давно уже знали, что взаимным трением кусков сухого дерева можно получить огонь, но они не измеряли ни затраченной работы, ни полученной теплоты. Физический же эксперимент обязательно предполагает измерения, позволяющие открывать количественные соотношения между явлениями природы. На этот путь развития физики ученые встали только в XVI— XVII вв. и уже не в рабовладельческой Римской империи, а в Западной Европе, когда стали развиваться промышленность и торговля в городах, освобождавшихся от феодальной зависимости.

Древние астрономы видели, что звезды не меняют своего относительного положения, образуя группы — созвездия. Но, внимательно наблюдая небо, они заметили пять ярких светил, которые изо дня в день медленно перемещаются среди звезд с запада на восток Греки назвали их планетами, т. е. «блуждающими» звездами. Движение планет казалось очень загадочным.

Две из них — Меркурий и Венера — никогда не бывают в противостоянии с Солнцем. Они не отходят далеко от Солнца, следуя за ним в годовом движении среди звезд. Каждая из них то появляется на востоке незадолго до восхода солнца, то блестит на западе после его захода. Три другие планеты — Марс, Юпитер и Сатурн, подобно Солнцу, перемещаются с запада на восток, совершая в течение определенного для каждой из них срока круговой путь. Но при этом планета периодически останавливается, пятится назад, а затем снова возобновляет свой бег с запада на восток, делая в своем движении «петлю».

Греческие астрономы пытались объяснить своеобразный характер движения планет. Однако, как и восточные наблюдатели, они руководствовались только непосредственным зрительным восприятием этого движения. Не ощущая движения Земли, древние греки считали ее неподвижной. В то время уже была известна шарообразность Земли, и греческие ученые представляли себе, что земной шар как бы «висит» в центре вселенной, а вокруг него обращаются Солнце, планеты и звезды. При этом считали, что небесные светила связаны с твердыми вращающимися сферами, в центре которых и находится Земля. Одной из таких сфер они считали видимое голубое небо. Для объяснения суточного круговращения светил было достаточно одной сферы. Чтобы представить себе возможность движения Солнца и планет среди звезд с запада на восток, понадобилось ввести еще несколько сфер.

Однако, пользуясь такой моделью мира, нельзя было предвычислять видимые положения планет.

Высшим достижением греческой астрономии была теория планетных движений, данная во втором веке н. э. александрийским астрономом Клавдием Птолемеем, также исходившим из геоцентрических представлений. Для объяснения петлеобразных движений планет Птолемей предположил, что каждая планета равномерно движется по малому кругу (эпициклу), в то время как центр этого круга в свою очередь движется по кругу большего

радиуса (деференту) вокруг Земли. Сочетание этих двух движений, происходящих в разных плоскостях, и создает при наблюдении с Земли петлеобразное движение планет: то вперед, то назад. Представления Птолемея о движении планет позволяли заранее вычислять положения планет на небе и составлять довольно точные астрономические таблицы. Поэтому схема Птолемея и были принята астрономами. Ею пользовались для предвьгчисления движения планет до середины XVII в.

Однако трудно было поверить в физическую реальность системы Птолемея. Поэтому некоторые астрономы еще до начала нашей эры пытались раз-* гадать действительное строение вселенной.

Первая такая попытка была сделана александрийским астрономом Аристархом Самосским (ок. 310—230 гг. до н. э.). Он предположил, что центром мира является Солнце, а все планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. К числу планет принадлежит и Земля, которая, обращаясь вокруг Солнца, одновременно вращается и вокруг своей оси.

Сделав такое предположение, можно было очень упростить систему мира, признав некоторые астрономические явления следствием движения самой Земли. Например, стало бы понятным, почему все светила участвуют в суточном круговращении, являющемся лишь иллюзорным впечатлением наблюдателя, находящегося на вращающейся Земле. К сожалению, сочинение Аристарха до нас не дошло и о его гипотезе историки науки узнали лишь из сочинений Архимеда (287—212 гг. до н. э.).

Птолемей, познакомившись с учением Аристарха, не согласился с ним. Он утверждал, что если бы Земля вращалась вокруг своей оси и двигалась в пространстве, то поднимающиеся па воздух птицы отставали бы от Земли, а все предметы, находящиеся на земной поверхности, не смогли бы удерживаться на ней. Соображения Птолемея основывались на механических понятиях того времени, когда еще не был известен принцип инерции движения. Его воззрения разделялись всеми учеными Европы в период средневековья вплоть до середины XVI в., когда появилось знаменитое сочинение Николая Коперника (1473—1543).

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ПОНЯТИЯ О СИЛЕ

Одно из важнейших понятий физики — понятие силы возникло в глубокой древности. Первобытный человек должен был поднимать тяжелые камни, чтобы преградить вход в пещеру диким зверям. Позднее, строя жилища, люди срубали деревья, перетаскивали и поднимали бревна. В процессе трудовой деятельности образовалось представление о мускульной силе. Обобщая его, люди стали говорить о силе текущей воды, ветра, морского прибоя.

Первоначально о силе человека судили по грузу, который он мог поднимать. Впоследствие для измерения сил стали применяться специальные приборы— динамометры. В первых динамометрах измеряемая сила сравнивалась силой тяжести груза, который она может уравновесить. Когда же было установлено, что удлинение пружины прямо пропорционально весу подвешенного к ней груза, появились пружинные динамометры. Впервые они были предложены в начале XVIII в. во Франции. Под действием прилагаемой силы пружина сжимается или растягивается, вращая соединенную с ней стрелку, указывающую по шкале величину силы.

Из строительной практики было известно, что нить с грузом на конце принимает вертикальное положение. Этим пользовались еще египетские и вавилонские строители, возводя стены высоких зданий и устанавливая колонны по отвесу. Так появилась еще одна характеристика силы — ее направление. При выполнении различных работ надо было получать силы, имеющие не только заданную величину, но также и желаемое направление. Величину силы можно изменить, беря различные грузы. Направление же силы оказалось возможным изменять, перекидывая веревку через неподвижный блок. Если для выполнения заданного действия требовалась сила, значительно превышающая ту, которой располагали, то прибегали к так называемым машинам, назначение которых греческие механики видели в том, чтобы «при помощи малой силы получить большую». Простейшей машиной такого рода был рычаг, при помощи которого малая сила, действующая на длинное плечо, могла быть преобразована в значительно большую силу, развивавшуюся на малом плече. Рычаг несомненно был известен еще древним египтянам. Простейший рычаг — это равноплечий рычаг, который служит коромыслом в обыкновенных весах. Что касается основного закона равновесия рычага (силы должны быть обратно пропорциональны плечам), то самая ранняя формулировка этого закона была дана еще в IV в. до н.э. в приписываемых Аристотелю «Механических проблемах». Частным случаем рычага является так называемый подвижной блок, при помощи которого можно получить двукратный выигрыш в силе. Если взять три таких блока, то можно полу чить выигрыш в 2*2*2=23=8 раз Это так называемый степенной блок, или полиспаст, который был известен еще древним грекам лет за сто до Аристотеля. В эпоху расцвета греческой драмы (V в. дон.э.) при помощи полиспастов во время театральных представлений поднимались и опускались актеры, изображавшие богов. Это приспособление называлось «механэ»; отсюда произошло и наше слово «машина», и само название «механика». Другой способ «получения большой силы из малой» заключался в том, что подымаемый тяжелый груз перемещали не по вертикали, а по наклонной плоскости. Этот способ широко применяли еще египтяне в третьем тысячелетии до н. э. при постройке пирамид и установке обелисков. Однако законы равновесия сил на наклонной плоскости не были известны ни египтянам, ни грекам; они были открыты в Западной Европе только в XIII в.

РАЗВИТИЕ МОРЕПЛАВАНИЯ

В лице Архимеда мы имеем одного из гениальнейших ученых всех времен и народов. Он был замечательным математиком, выдающимся инженером и родоначальником математической физики. Он настолько опередил науку своего времени, что по-настоящему его работы были поняты только через 18 веков в Европе, где на его математических трудах учились творцы новой математики — анализа бесконечно малых.

Биография Архимеда, написанная одним из его учеников, к сожалению, была утрачена, и мы теперь лучше всего знаем время и обстоятельства его смерти. Он был убит в 212 г. до н.э. римлянами во время взятия ими Сиракуз. Византийские историки утверждают, что ему тогда было 75 лет. На этом основании можно предполагать, что Архимед родился в 287 г. до н. э.

Иногда считают, что Архимед был кабинетным ученым, целиком поглощенным математическими науками. Однако внимательный анализ письменных свидетельств известных греческих историков того времени дает совершенно иную картину.

Архимед был сыном астронома Фидия. Время ого жизни было очень тревожным для Сицилии. Когда ему было около десяти лет, в Сицилию явился завоеватель с востока, царь Пирр Эпирский. В борьбе с ним выдвинулся Гиерон, бывший, возможно, родственником Архимеда.

В этой войне Гиерон был сначала на стороне карфагенян, но потом вышел из войны, и Сиракузы остались «свободными», тогда как вся остальная Сицилия сделалась римской провинцией. Время было очень тревожное, и нужно было быть готовым отразить нападение, с какой бы стороны оно ни последовало. В это время Гиерон обратил внимание на способности юного Архимеда и, как пишет Плутарх, «постоянно старался направить его занятия от чисто интеллектуальных предметов к материальным вещам и сделать его рассуждения ... применимыми к общежитейским предметам».

Римляне хотели взять Сиракузы «с хода», но потерпели полное поражение во время приступа с суши и с моря. Нигде они не могли укрыться от поражающего действия стрелометов, изобретенных Архимедом.

По-видимому, к этому времени относятся сохранившиеся отрывки из работ Архимеда по строительной механике, в которых им, в частности, было выработано понятие о центре тяжести как точки тела, при подвешивании за которую тело остается в равновесии во всех положениях. Архимед знал, что тяжелое тело может оставаться в равновесии, когда точка подвеса и центр тяжести остаются на одной вертикали.

Некоторое время Архимед жил в Александрии, бывшей научным центром того времени. В Александрии была библиотека, в которой хранилось более 700 тысяч свертков папируса или пергамента, содержавших научные и художественные произведения греков и других культурных народов того времени. Там он вступил в тесные связи с рядом александрийских ученых, в частности с астрономом и математиком Кононом, давшим ему программу для первых его сочинений «Квадратура параболы», «О шаре в цилиндре», «О коноидах и сфероидах» и «О спирали». Его пребывание в Египте, вероятно, приходится на сороковые годы III в. до н. э. К этому времени относится изобретение им машины для подъема воды, так называемого «архимедова винта». Он представляет собой полый цилиндр, вокруг оси которого идет винтообразная наклонная плоскость, вплотную прилегающая к стенкам цилиндра. При вращении винта вода подымается по винтообразной поверхности и выливается из цилиндрической трубы.

Инженерная деятельность Архимеда ярко отразилась в его математических работах. Архимед разработал те области геометрии, которых не было в «Началах» Евклида: он дал формулы для определения длины окружности, объема и поверхности шара и его частей, площади сегмента параболы и другие.

Интересно отметить, что Архимед, с одной стороны, широко пользовался механическими методами для решения математических задач, а с другой — прилагал математику для решения задач механических. Прежде всего, он первый дал математический точный вывод условий равновесия сил на рычаге. Всем известен знаменитый закон Архимеда о выталкивающей силе жидкости.

Этот закон был изложен им в специальном сочинении «О плавающих телах», вероятно, последнем произведении в его жизни (оно не докончено). Сочинение «О плавающих телах» начинается формулировкой следующей аксиомы: «Жидкость имеет такую природу, что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными и что каждая из-ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидкость не заключена в каком-нибудь сосуде и не сдавливается еще чем-нибудь другим».

Далее приводится доказательство того, что погруженное в воду тело, находящееся в равновесии, должно оказывать на воду такое же давление, какое оказывает на тело вода. Для этого вес тела должен быть равен весу вытесняемой воды. Сам закон плавания тел формулируется так: «Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имел вес, равный весу всего тела».

С открытием этого закона стало возможным определять подъемную способность строящегося судна. Для этого нужно только вычислить объем вытесняемой им воды при погружении до определенной глубины. Вычтя из веса вытесненной воды вес самого судна, получают вес груза, который может быть принят судном.

Но этого оказывается еще мало. Нужно еще знать, не опрокинется ли корабль. Понимая это, Архимед рассмотрел условия, от которых зависит устойчивость равновесия плавающих тел, а именно шарового сегмента и параболоида вращения.

В сочинении «О плавающих телах» Архимед излагает также принцип устройства ареометра. Однако первый настоящий ареометр был изобретен только в V в. н.э. Синезием, учеником знаменитой Ипатии, первой женщины-математика (последний выдающийся математик античности), убитой в 418 г. н э. в Александрии толпой фанатичных монахов.

На могиле Архимеда согласно его завещанию была поставлена колонна, на которой выгравирован рисунок, изображающий шар, вписанный в цилиндр. (Известно, что доказательство равенства поверхности шара боковой поверхности описанного цилиндра Архимед считал самым большим своим достижением.) Позднее знаменитому римскому оратору Цицерону во время его пребывания в Сицилии удалось по этому признаку найти могилу Архимеда.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПЛАНЕТ

Нам остается проследить тот путь развития механики, который был связан с исследованиями движения планет. В основе всех этих исследований лежало допущение, что все небесные движения являются круговыми и равномерными или состоят из таковых. Так как в действительности видимые движения не являются ни круговыми, ни равномерными, то надо было придумать механизм, который бы согласовывал наблюдения с указанным допущением и даже позволял бы предвычислять положения небесных светил.

Первым из великих астрономов античности, занявшимся этой проблемой, был Гиппарх (ок. 150 г. до н. э.). Он объяснил неравномерность в движении Солнца (неравенства продолжительностей астрономических времен года) при помощи так называемого эксцентра — окружности, центр О которой не совпадает с центром Земли.

Большой круг небесной сферы, представляющий путь Солнца среди неподвижных звезд, называется эклиптикой. Видимые пути Луны и планет несколько отклоняются от эклиптики; иными словами, планеты бывают то выше, то ниже эклиптики.

Движение планет отличается от движения Солнца и Луны еще и тем, что планеты описывают на небе петли. По истечении определенного промежутка времени планеты возвращались  к  начальному  положению  относительно  неподвижных  звезд. Соответствующий промежуток времени называется сидерическим периодом обращения планеты. Сидерический период близок к периоду обращения планеты вокруг Солнца, который для Меркурия равен 88 дням, для Венеры — приблизительно 9 месяцам

Для описания движений планет греческий математик АполлонийПергский (около 200 г. до н. э.) придумал к называемые эпициклы.

Уже в римскую эпоху александрийский астроном Клавдий Птолемей (первая половина II в. н. э.) соединил вместе идеи эксцентра и эпицикла и создал математическую теорию движения планет.

Убежденным сторонником учения Коперника был также Галилеи. Построив свой телескоп, он сделал много неожиданных открытий. В своем сочинении «Звездный вестник», вышедшем в 1610 г., Галилеи сообщил о неровностях на поверхности Луны, о дисках планет, отличающих их от звезд, о неизвестных ранее спутниках Юпитера. Несколько позднее он открыл фазы Венеры и пятна на Солнце. Эти сообщения произведи потрясающее впечатление на современников Галилея.

Лекции и сочинения Галилея возбудили беспокойство церковников. Многочисленные противники Галилея ополчились против него. Они опровергали идею о движении Земли цитатами из библии и сочинений Аристотеля. Иные даже отрицали открытия, сделанные ученым с помощью телескопа.

В 1632 г. Галиле издал свой большой труд «Диалог о двух системах мира», в котором очень тонко и умело защищал систему Коперника. Церковным судом Галилею было предъявлено обвинение в том, что он «поддерживал учение, ложное и противное святому божественному писанию».

Угрожая Галилею пыткой, инквизиция потребовала от него публично отречься от учения Коперника. Больной, семидесятилетний Галилеи покорился и подписал отречение от мнения, что «Солнце есть центр мира и неподвижно.Земля же не центр и движется».

Однако в тех странах Европы, где католическая церковь не могла преследовать ученых, система Коперника нашла много сторонников. Все большее число людей убеждалось в физической реальности картины мира, нарисованной Коперником. Стало необходимым решить проблему движения планет не только с геометрической, но и с механической точки зрения.

ВСЕМИРНОЕ ТЯГОТЕНИЕ

Гелиоцентрическая система Коперника представляла первый и очень большой шаг в развитии новой астрономии и механики, но все-таки только первый шаг. Весь аппарат, которым пользовался Коперник, был птолемеевским с его эксцентрами и эпициклами, причем введение движения Земли вокруг Солнца лишь уменьшило на единицу число эпициклов у каждой планеты. И хотя схема Коперника позволяла предвычислятьположения планет, она была лишь кинематической схемой. Основное же положение Арис тотеля, которое к тому же сохранялось незыблемым, требовало, чтобы движения небесных светил были круговыми равномерными или состоящими из таковых.

Дальнейший шаг в развитии теории движения планет удалось сделать Иоганну Кеплеру (1571-1630). С системой Коперника Иоганн Кеплер познакомился на частных уроках по астрономии во время пребывания в Тюбингенском университете. Профессор Местлин, убежденный коперниканец, в университете преподавал астрономию, конечно, по Птолемею, но, давая частные уроки студентам, излагал им систему Коперника. В то время в университетах наряду с астрономией преподавалась астрология, т. е. «наука» о влиянии небесных светил на жизнь человека. Короли и владетельные князья имели придворных астрологов, которые были обязаны составлять для них «гороскопы», т. е. предсказывать по положению планет и звезд их будущее.

По окончании университета Кеплер стал преподавателем математики в Граце, где в его обязанности входило и составление «гороскопов». Но вскоре в Штирии (провинции, в которой находился Грац), начались гонения на протестантов, которым однажды было предписано покинуть этот город до захода солнца. Принадлежа к протестантам, Кеплер скрывался некоторое время в окрестностях Граца, а затем уехал с женой в Прагу. Там он получил приглашение знаменитого датского астронома Тихо Браге (1546—1601) участвовать в работе по составлению планетных таблиц. Однако отношения его с Тихо Браге скоро стали натянутыми. Датский астроном еще считал Землю центром мироздания, а Кеплер был убежденным коперниканцем. После смерти Тихо Браге Кеплер, используя произведенные Тихо Браге многолетние точные наблюдения планетных движений, и в частности планеты Марс, длительное время тщетно пытался согласовать их с равномерным движением планеты по круговой орбите. Тогда он предположил, что Марс

движется по эллипсу и притом неравномерно — скорость планеты меняется в зависимости от ее расстояния от Солнца. Так Кеплер пришел к своим законам движения планет:

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Скорость движения планеты изменяется так, что радиус-векторы V- е- линия, проведенная от Солнца к планете) описывает в равные промежутки времени одинаковые площади, или, как говорят, секторная скорость движения планеты является постоянной. Эти законы Кеплер опубликовал в сочинении «Новая астрономия», вышедшем в свет в 1609 г. Через 10 лет в сочинении «Гармония мира» он опубликовал найденный им третий закон движения планет, связывающий средние расстояния планет от Солнца с периодами их обращения: квадраты времен обращения относятся между собой, как кубы их средних расстояний от Солнца.

Первый закон Кеплера показывает, что движение планет не является круговым (хотя в действительности эти отличия не так уж велики; они больше всего у. Марса, исследование движения которого и позволило открыть этот закон). Второй закон утверждает, что движение планет не является равномерным: планеты движутся быстрее там, где они ближе к Солнцу, и медленнее там, где их расстояние от Солнца больше.

Впервые физический смысл законов Кеплера был понят Ньютоном, однако соответствующие идеи высказывались и раньше.

Коперник, а затем и Кеплер пытались распространить понятие о тяжести, действующей на земной поверхности, на космические тела. Коперник писал, что «тяжесть есть не что иное, как естественное стремление», заставившее отдельные части космического вещества соединиться о шары. «Такое стремление,— писал он,— свойственно, вероятно. Солнцу, Луне и другим блуждающим светилам, и благодаря его действию они сохраняют свою очевидную шарообразность».

Мысли Коперника о силе тяжести были развиты его последователями. Разделявший воззрения Коперника английский физик Вильям Гильберт (1540—1603), прославившийся исследованием магнетизма, считал, что между Землей и Луной действуют магнитные силы: Земля и Луна взаимно притягивают друг друга и в то же время взаимное отталкивание их не допускает падения Луны на Землю. Это объяснение казалось вполне удовлетворительным до начала XVII в.

Кеплер также совершенно определенно говорил о взаимном притяжении Земли и Луны. Свои воззрения на силу тяжести он изложил в сочинении «Новая астрономия», написанном в целях популяризации системы Коперника. Кеплер уже тогда угадал причину морских приливов. Он писал, что притягательное действие Луны доказывается морскими приливами.

В период 1665—1667 гг. Ньютон провел почти два года на ферме матери, получив отпуск по случаю эпидемии чумы. Располагая свободным временем, молодой ученый занялся оптическими опытами и предавался размышлениям над проблемой движения планет.

В бумагах Ньютона впоследствии была найдена такая запись: «В том же (1666) году я начал думать о тяготении, простирающемся до орбиты Луны, и нашел, как оценить силу, с которой шар, вращающийся внутри сферы, давит на поверхность этой сферы. Из правил Кеплера я вывел, что сила, удерживающая планеты на их орбитах, должна быть обратно пропорциональна квадратам их расстояний от центров, вокруг коих они вращаются».

Исходя из этого представления, Ньютон рассчитал центростремительное ускорение Луны к Земле. Если это ускорение связано с притяжением Луны Землей, то оно должно быть одинаково с ускорением силы тяжести на расстоянии Луны. Сделав вычисление, Ньютон не получил полного совпадения. Это объясняется тем, что тогда не была известна точная величина земного радиуса. И Ньютон с огорчением прекратил свое исследование. Скрытный, осторожный и требовательный к себе, Ньютон по возвращении в Кембридж не обмолвился ни словом о своих расчетах и размышлениях. Он прекратил надолго занятия механикой и обратился к оптическим исследованиям. И вот через год (в 1687 г.) Ньютон представил в Общество свой бессмертный труд «Математические начала натуральной философии». Название этой книги может показаться нам странным, но в то время «натуральной философией» называли науку о природе.

В протоколах Общества записано, что в этом труде на основании единственного предположения о том, что сила тяготения тел к Солнцу обратно пропорциональна квадратам их расстояний от центра Солнца, объясняются движение планет и комет, отступления в их движении от законов Кеплера (так называемые «неравенства»), а также приливы и отливы.

Вот как, например, объясняется на основе закона всемирного тяготения явление морских приливов и отливов. Вода океанов, находящихся на той стороне земного шара, которая обращена к Луне, испытывает более сильное притяжение Луны, чем центральная часть Земли; на противоположной же стороне Земли вода океанов притягивается Луной слабее центральной части земного шара. Поэтому как на стороне, обращенной к Луне, так и на противоположной стороне Земли мы наблюдаем поднятие воды в океанах. Вследствие вращения Земли Луна совершает кажущееся суточное обращение вокруг нее. Волна прилива движется вслед за Луной. Одновременно перемещается волна и на противоположной стороне Земли. Луна притягивает более близкий к ней бугор прилива сильнее, чем отдаленный бугор, поэтому она задерживает вращение Земли. Но и ближайший приливный бугор притягивает Луну сильнее, чем отдаленный. Это приводит к ускорению движения Луны по орбите. Таким образом, как доказал известный английский астроном Джорж Дарвин (1845—1912), вращение Земли постепенно замедляется, а движение Луны соответственно ускоряется, в связи с чем Луна отдаляется от центра Земли, хотя и очень медленно.

Ньютон рассматривал всемирное тяготение как физический принцип, выведенный из наблюдений за движением планет: планеты движутся так, как будто Солнце притягивает их с силой, обратно пропорциональной квадратам расстояний.

Гипотезой, которую допустил Ньютон, было лишь утверждение, что каждая частица одного тела тяготеет к каждой частичке другого и потому сила тяготения между двумя телами прямо пропорциональна их массам. Ньютон не предлагал гипотез о природе всемирного тяготения. Он указывал лишь, что тяготение отлично от магнитных сил, так как оно зависит от массы.

Ньютон и его современники не надеялись, что когда-нибудь удастся измерить притяжение между двумя небольшими телами. Однако в 1798 г. английскому физику Генри Кавендишу (1731—1810) удалось на опыте наблюдать это явление. Прибор Кавендиша представлял собой крутильные весы. На концах стержня весов были укреплены свинцовые шарики. Когда Кавендиш стал приближать большие свинцовые шары к маленьким шарикам, эти последние потянулись к ним и закрутили нить. Измеряя угол, на который закрутилась нить, можно было определить силу притяжения большим свинцовым шаром маленького и вычислить значение гравитационной постоянной. Опыт Кавендиша наглядно показал, что и небольшие тела, подобно планетам, испытывают взаимное притяжение. Природа этой силы все же оставалась неизвестной.

В XVIII в. были сделаны попытки механически объяснить взаимное тяготение масс. Так, например, французский физик Л е с а ж (1724—1803) предположил, что пространство наполнено такой материей, атомы которой несутся с большой скоростью в различных направлениях и производят давление на поверхность встреченных на пути тел. Давления, производимые на тело со всех сторон, взаимно уравновешиваются. Когда же в пространстве находятся два тела, то каждое из них частично затенено со стороны другого тела от потока атомов. Вследствие этого, как легко видеть, давления на участки поверхностей, которыми оба тела обращены друг к другу, будут пониженными. А это заставляет тела сближаться. Этой гипотезой можно было объяснить притяжение Луны к Земле и планет к Солнцу.

ТЕПЛОТА

В механике рассматривается только механическое движение, представляющее собой относительное перемещение тел или их частиц. При таком движении твердое тело остается твердым, а жидкость или газ — жидким или газообразным. Более того, рассматривая явления в движущейся жидкости, мы не интересовались ее внутренним строением, а считали ее непрерывной сплошной средой, или, как говорят математики, континуумом. Теперь нам нужно будет познакомиться с новым классом явлений, связанных с изменением физических свойств тел: твердые тела могут переходить в жидкие, а жидкости — в газообразные или обратно. Основным фактором, вызывающим эти изменения, является теплота. Ощущение теплоты или холода мы воспринимаем при помощи чувства осязания. Мы можем определить, что тело стало теплее и холоднее. При этом говорят, что тело приобрело или потеряло теплоту, т. е. считают теплоту как бы некоторой субстанцией, которая может переходить от одного тела к другому.

Именно так была создана первая модель, при помощи которой можно было строить теорию тепловых явлений. Поток тепла можно было сравнить с потоком жидкости, которая течет с более высокого места к низкому; роль «высоты» в теории тепла стала играть степень нагретости, или так называемая температура. Изучая быстроту распространения теплоты, ввели понятие о теплопроводности. Точно так же в связи с введением понятия количества тепла сформировались понятия теплоемкости тел и удельной теплоемкости различных веществ. Все упомянутые термины напоминают нам о первой физической теории тепла, сложившейся в течение XVIII в.

Дальнейшее развитие физической теории тепла связано с вопросом об источнике тепла. В древности этот вопрос фактически не ставился: источником тепла являлся небесный огонь в виде солнца или молнии, зажигавшей сухие деревья. Во времена Аристотеля, когда огонь сделался четвертой стихией наряду с такими тремя стихиями, как земля, вода и воздух, считали, что естественным местом огня является окружающая воздух огненная сфера, к которой как к своему естественному месту и стремится земной огонь, освободившийся из дерева или кремня. Но в XVIII в. огонь уже потерял право на существование в качестве особой стихии. Стало ясно, что огонь и теплота вообще являются результатом некоторых химических или физических процессов.

Каждому хорошо знакомо превращение механической работы в теплоту в процессе трения. Изучение этого явления в XIX в. привело к распространению сферы действия закона сохранения энергии, превращению его во всеобщий закон природы, один из краеугольных камней современного естествознания. В связи с изучением тепловых явлений была создана сначала кинетическая теория газов, а затем и молекулярно-кинетическая теория вещества вообще. Для достижения этого результата науке пришлось совершить довольно длинный и сложный путь.

ТЕМПЕРАТУРА

Когда переход тепла от более нагретого тела к холодному сравнивали с течением жидкости с более высокого уровня к низкому, то роль уровня в теории тепла стала играть степень нагретости тела, или его температура. Общее понятие о степени нагретости имеет каждый человек. Каких-нибудь сто лет тому назад в Средней Азии мороз определялся количеством халатов, которые нужно было надеть, чтобы не чувствовать холода. Чтобы ввести более точную меру степени нагретости тела — его температуры, проще всего будет воспользоваться изменением объема или длины некоторого тела при нагревании. Созданный на этом принципе прибор получил название термометра. Первый термометр был изобретен в конце XVI в. Галилее Галилеем. Этот прибор, названный Галилеем термоскопом, использовался ученым для определения степени нагретости тел.

Термоскоп Галилея представлял собой тонкую стеклянную трубочку (длиной в локоть), оканчивающуюся полым стеклянным шариком. Открытый конец трубочки опускают в воду. При этом вода в ней устанавливается на определенной высоте. При нагревании шарика воздух в нем расширяется и вытесняет из трубочки часть воды. Наоборот, при охлаждении шарика вода в трубочке немного поднимается. Следовательно, при помощи этого прибора можно было судить о степени нагретости тел, или, лучше сказать, об се изменении, так как числовых значений температуры он не давал.

Примерно через 60 лет, в 1657 г термоскоп Галилея был усовершенствован членами флорентийской «Академии опыта». Они прежде всего перевернули его и поставили с «головы на ноги». Чтобы можно было не только качественно, но и количественно сравнивать температуры тел, они разделили трубочку термоскопа метками на равные отрезки. Таких меток наносили обычно 50—100. Делали и очень длинные термоскопы;

тогда трубочку закручивали в спираль, а на шкале наносили 300—400 делений. В трубочку заливался спирт, поскольку его температура замерзания ниже, чем у воды. Но и термоскоп флорентийских ученых имел существенный недостаток. В качестве постоянных точек шкалы брались две произвольные температуры, например температуры наиболее жаркого летнего дня и наиболее холодного зимнего дня. Все это создавало определенные трудности.

Существенный шаг вперед сделал немецкий ученый Даниель Габриель Фаренгейт (1686—1736), предложивший в качестве постоянных точек термометра считать температуру смеси снега с поваренной солью и температуру кипящей воды. Эти точки Фаренгейт обозначил числами 32 и 212, Фаренгейт же предложил заменить спирт ртутью. Шкала Фаренгейта и до сих пор применяется в Англии и США

В 1730 г. французский физик РенеАнтуан Реомюр (1683—1757) предложил взять за постоянные точки термометра температуру тающего льда и температуру кипящей воды. Всю шкалу он разбил на 80 делений, причем температура тающего льда обозначалась им числом 80, а кипящей воды—нулем Через 12 лет, в 1742 г., шведским ученым Андерсом Цельсием (1701—1744) была предложена стоградусная шкала. Так же как и Реомюр, Цельсий за постоянные точки выбрал температуры тающего льда и кипящей воды, но температуру тающего льда он обозначил числом 100, а кипящей воды — нулем. И только примерно через 30 лет было введено современное обозначение этих точек: за 0° была принята температура тающего льда, а за 100° (по шкале Реомюра — собственно за 80°) — температура кипящей воды.

Дальнейшее улучшение приборов для измерения температуры было связано с потребностями техники и производства,

В XVIII в. начали быстро развиваться металлургия, фарфорово-фаянсовое и стекольное производство. Обжиг фаянсовой посуды и фарфора должен производиться при определенной температуре. Потребовались приборы для измерения температур, доходящих до 1000° и выше. В 1731 г. голландский физик Питер Мушенбрук (1692— 1761) построил такой прибор—пирометр. Его прибор представлял собой металлический стержень, который при нагревании удлинялся и приводил в движение указатель температуры на шкале. Пирометр Мушенбрука, впрочем, предназначался изобретателем не столько для измерения высоких температур, сколько для обнаружения теплового расширения твердых тел.

В теоретическом отношении большое значение имеет газовый термометр.

О ПРИРОДЕ ТЕПЛОТЫ

Уже в XVIII в. некоторые ученые не соглашались с общепринятыми воззрениями на теплоту как на невесомую жидкость — теплород. К числу таких ученых принадлежал М. В. Ломоносов.

Размышляя о природе теплоты, Ломоносов пришел к мысли, что причиной тепловых явлений служит движение мельчайших частиц тела — корпускул (молекул). «Очень хорошо известно, — писал он, — что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается от проковывания частыми ударами...» Из этих наблюдений Ломоносов сделал вывод, что видимое движение превращается во вращение молекул, которое и представляет собой теплоту.

В воззрениях на природу теплоты Ломоносов намного опередил свое-время. К его идее, не понятой большинством его современников, физики вернулись только после опытов Бенджамина Томпсона, получившего за свои исследования титул графа Румфорда(1753—1814).

В 1783 г. Томпсон поступил на службу к баварскому курфюрсту в качестве военного специалиста.

Присутствуя при сверлении стволов пушек, Румфорд наблюдал, что получавшиеся стальные стружки были очень горячими. Чтобы решить вопрос о причине возникновения теплоты, Румфорд поставил специальные опыты. Он взял стальной цилиндр с высверленным в нем каналом и ввел в него тупое сверло, заполнившее канал цилиндра. Сверло силой двух лошадей приводилось в быстрое вращение. В течение короткого промежутка времени температура ствола поднялась до 70° Объяснить появление такого большого количества теплоты на основе теории теплорода оказалось невозможным.

Еще более поразили ученых опыты английского ученого Гемфри Дэви (1778—1829). Он поместил два куска льда при температуре ниже 0° под колокол, из которого воздушным насосом был тщательно откачан воздух. Оба куска льда можно было тереть друг о друга при помощи специального механизма. Лед таял, причем температура получившейся воды была на несколько градусов выше 0°. Повышение температуры воды сверх 0° казалось совершенно необъяснимым. Действительно, откуда мог появиться избыток теплорода? Воздуха в приборе не было, внешних тел куски льда не касались. Следовательно, заключил Дэви, приток теплорода не мог явиться причиной повышения температуры воды. Теплота могла появиться только от движения.

Опыты Румфорда и Дэви нанесли теории теплорода сокрушительный удар и положили начало коренному пересмотру основных представлений о теплоте. Все же прошло еще много лет, прежде чем теплородные представления были полностью изгнаны.

Основную роль в этом сыграли исследования сущности действия паровой машины. Пионером в этой области явился инженер Сади Карно (1796— 1832), опубликовавший в Париже в 1824 г. сочинение «Размышления о движущей силе огня». Он указал, что работа паровой машины совершается в процессе перехода тепла от более нагретого тела (нагревателя) к менее нагретому телу (холодильнику), совершенно так же, как в водяных машинах работа получается в результате падения воды с более высокого уровня на более низкий Он, однако, считал, что теплота при этом не расходуется, не исчезает так же, как не исчезает вода, приводящая в движение водяное колесо. Эта неточность была исправлена только через 10 лет после смерти Карно немецким ученым Робертом Миером (1814—1878), врачом по специальности. История физических исследований Майера не совсем обычна. Майер служил корабельным врачом на голландском судне, отправлявшемся в Ост-Индию (современную Индонезию). По прибытии летом 1840 г. в Батавию (Джакарта) он, делая при лечении больных кровопускания, заметил, что венозная кровь у " туземцев была гораздо светлее, чем у европейцев, и по цвету почти не отличалась от артериальной. Майера заинтересовали причины этого явления. Изучая разработанную Антуаном Лавуазье (1743—1794) теорию горения, он пришел к выводу, что более теплый климат способствовал более быстрому сгоранию, т. е. в рассматриваемом случае более быстрому окислению крови. Размышления над этими вопросами увели Майера в область термодинамических проблем; в конце концов он пришел к принципу эквивалентности теплоты и работы. Свои выводы он изложил в статье под заглавием «О количественном и качественном определении сил» (1841), которая, однако, не была принята издателем основного научного журнала тогдашней Германии «Анналы физики и химии». Эта статья была напечатана только в 1842 г. в журнале «Анналы химии и фармации» под заглавием «Замечания о силах неодушевленной природы». Неудачное заглавие не обратило на себя внимания. Статья содержала первое, хотя и не совсем точное, определение механического эквивалента теплоты. Майер нашел, что «опусканию груза с некоторым весом с высоты 365 метров соответствует нагревание на 1° равного веса воды». Это соответствует значению механического эквивалента теплоты в 365 кгм/ккал.

Вычисление Майером величины механического эквивалента теплоты не привлекло к себе внимания. Только после экспериментальных исследований английского физика Джемса Джоуля (1818—1889) оно получило признание. Один из опытов Джоуля состоял в следующем.

В металлическом цилиндре устанавливалась вертикальная ось с насаженными на ней в несколько рядов лопатками. На внутренней стенке цилиндра были прикреплены горизонтальные пластинки, между которыми проходили эти лопатки при вращении оси. Цилиндр наполнялся водой и устанавливался на деревянной скамейке. На верхний конец оси насаживалась деревянная муфта, которую обпивали две горизонтально протянутые веревки, переброшенные через блоки; к концам веревок прикреплялись одинаковые грузы, которые, опускаясь, вращали ось с лопатками. За счет трения между лопатками и водой работа, которую совершали опускавшиеся грузы, превращалась в теплоту. Иногда цилиндры заполняли не водой, а ртутью. В других приборах Джоуля теплота выделялась вследствие трения плотно прижатых друг к другу вращающихся чугунных дисков. Во всех опытах Джоуль получал примерно одно и то же значение — 424 кгм/ккал. Теоретические расчеты Майера и опыты Джоуля доказали возможность взаимного превращения механической энергии в тепловую и обратно и тем самым заложили основы, на которых был построен общий закон сохранения энергии.

ИЗОБРЕТЕНИЕ ПАРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Если не считать паровой вертушки Герона, можно принять, что первые мысли об использовании пара для получения механического движения принадлежат, по-видимому, Паскалю. Об этом свидетельствует завись в дневнике Гюйгенса, сделанная им в связи с посещением Паскаля 13 декабря 1660 г.; в этой записи говорится о «силе воды, разреженной огнем».

Первым же изобретателем двигателя, работавшего при помощи пара, был Денис Папен (1647—1714), работавший с 1672 г. в Парижской академии наук в лаборатории Гюйгенса.

Более совершенную машину, основанную на том же принципе, создал в Англии в начале XVIII в. Томас Ньюкомен (1668—1729). Двигатели Папена и Ньюкомена были пароатмосферными машинами; движущей силой в них служило давление воздуха. Машина Ньюкомена предназначалась для откачки воды из шахт. Вот как она была устроена. В котле, наполовину заделанном в каменной кладке печи, получался пар. Над котлом вертикально был установлен открытый сверху цилиндр с движущимся в нем поршнем. Нижняя часть цилиндра соединялась с котлом, откуда в нее мог поступать пар.

В России в то же время над изобретением локомотива трудились уральские техники

— отец и сын Черепановы. По их проекту был построен первый русский паровоз, перевозивший руду и другие грузы на Нижне-Тагильском заводе.

Одновременно началась установка паровых машин на речных и морских судах. Первый пароход был построен в 1807 г. по проекту американского изобретателя Роберта Фультона. В 1815 г. в России уже совершал регулярные рейсы между Петербургом и Кронштадтом небольшой пароход «Елизавета».

Со временем стали выявляться недостатки паровой машины. Один из них состоит в том, что эта машина имеет «мертвые точки», из которых ее выводит вращение очень массивного маховика. Вследствие попеременного хода поршней и связанных с ним частей машина испытывает внутренние толчки. Поэтому еще в конце прошлого века инженеры стали разрабатывать проекты паровых турбин. Еще в 1813 г. русский мастер Залесовпостроил и установил паровую турбину на Сузунском заводе на Алтае. Но только через 75 лет двигатели этого типа привлекли внимание машиностроителей.

В 80-х годах XIX столетия шведский инженер Густав Лавалъ составил проект турбины, колесо которой вращалось сильными струями пара. Паровая турбина — быстроходный двигатель, вал которого делает тысячи оборотов в минуту. Входящий в турбину пар проходит вначале между неподвижными направляющими лопатками, а затем попадает на несколько рядов лопаток рабочего колоса. Под действием струй пара колесо приобретает большую скорость вращения. По сравнению с поршневой машиной турбина имеет много преимуществ. При равной мощности она занимает меньше места, ее вал вращается плавно и равномерно; коэффициент полезного действия турбины больше, чем у поршневой паровой машины.

В середине прошлого века был предложен другой тепловой двигатель, в котором работа производилась за счет энергии горячих газов, получающихся при взрыве смеси воздуха с парами бензина. Этот двигатель, названный двигателем внутреннего сгорания, был изобретен французским инженером ЭтьеномЛонуаром (1822—1900). Удобство этого двигателя заключалось в отсутствии парового котла. В первых двигателях внутреннего сгорания газ расширялся в цилиндре только вдвое, и они поэтому были менее экономичны, чем паровая машина. В дальнейшем расширение продуктов взрыва было доведено до десятикратного. Кроме того, было введено предварительное сжатие горючей смеси. Двигатели внутреннего сгорания стали значительно более экономичными и развивали большую мощность: их стали устанавливать на транспортных машинах.

Изобретение теплового двигателя положило начало новой эре в развитии промышленного производства. В связи с применением паровых машин и необходимостью оценивать их производительность было введено понятие мощности.

Единицей мощности первоначально служила лошадиная сила: работа двигателя сравнивалась с работой, которую может выполнить за такое же время определенное количество лошадей. Затем было уточнено, что одна лошадиная сила соответствует подъему в одну секунду груза в 75 кг на высоту в 1 м. Так появилась единица мощности

— лошадиная сила. Эта единица и сейчас еще употребляется для характеристики производительности паровых двигателей или двигателей внутреннего сгорания. Но в электротехнике «лошадиная сила» уступила место новой единице мощности — ватту.

Примерные экспериментальные, творческие задачи, опыты.

К разделу «механика»

1. Вам предложили определить плотность сахара. Как это сделать, располагая только бытовой мензуркой, если опыт предложено произвести с сахарным песком?
2. Даны стограммовая гирька и линейка с делениями. Как с их помощью приближенно определить массу некоторого тела, если она не особенно сильно отличается от массы гирьки? Как поступить, если вместо гирьки дан набор «медных» монет?
3. С помощью медных монет необходимо определить силу тяжести и массу линейки. Как это сделать?
4. Шкала, весов, имеющихся у вас дома, проградуирована только до 500 г. Вам же нужно взвесить книгу, масса которой около 1 кг. Как выполнить эту задачу, располагая кроме весов также катушкой с нитками?
5. Как с помощью весов, набора гирь и сосуда с водой определить плотность камня, если его объем непосредственно измерить невозможно?
6. Каким образом можно найти емкость кастрюли, пользуясь весами и набором гирь?
7. Имеется цилиндрический стакан, до краев наполненный жидкостью. Как
8. разделить содержимое стакана на две совершенно одинаковые части, располагая еще одним сосудом, но уже иной формы и несколько меньшего размера?
9. Два товарища стояли на балконе и отдыхали. От нечего делать они размышляли над тем, как определить, в чьей коробке осталось меньше спичек, не открывая коробок. А какой метод можете предложить вы? (можно провести эксперимент)
10. Как определить положение центра тяжести гладкой палки, не пользуясь никакими инструментами?
11. Как определить диаметр футбольного мяча жесткой (например, обычной деревянной) линейкой?
12. Как найти диаметр небольшого шарика с помощью мензурки?
13. Имеется заполненный водой сосуд прямоугольной формы, в котором плавает некоторое тело. Как с помощью одной линейки определить массу тела?
14. Стеклянная пробка имеет внутри полость. Нужно определить объем полости, не разбивая пробки. Можно ли это сделать с помощью весов, набора гирь и сосуда с водой? А если можно, то как?
15. Имеется железный лист, прибитый к полу, легкий деревянный цилиндрический.стержень (палка) и линейка. Разработайте способ определения коэффициента трения дерева о железо с применением только перечисленных предметов.
16. Представьте, что для измерения высоты дома вам было предложено воспользоваться пустой консервной банкой и секундомером. Сумели бы вы справиться с заданием? Расскажите, как нужно действовать? (можно провести эксперимент)
17. Как найти скорость истечения воды из водопроводного крана, имея цилиндрическую банку, секундомер и штангенциркуль?
18. Предлагается определить ускорение свободного падения, наблюдая за струйкой воды, вытекающей из неплотно закрытого водопроводного крана.
19. Как выполнить задание, располагая для этой цели линейкой, сосудом известной емкости и часами?
20. Допустим, что вам нужно наполнить водой большой бак известной емкости с помощью гибкого шланга, снабженного цилиндрической насадкой. Вы хотите заранее знать, сколько времени продлится это скучное занятие. Нельзя ли его вычислить, располагая только линейкой?
21. Дана узкая стеклянная трубка, запаянная с одного конца. Трубка содержит воздух, отделенный от окружающей атмосферы столбиком ртути. Имеется также миллиметровая линейка. Определите с их помощью атмосферное давление.
22. При обучении музыке и балетному искусству, в тренировке спортсменов и для некоторых других целей часто используется метроном—прибор, издающий периодические отрывистые щелчки. Длительность интервала между двумя ударами (щелчками) метронома регулируется перемещением грузика по специальной качающейся шкале. Как проградуировать шкалу метронома в секундах, если это не сделано на заводе, с помощью нитки, стального шарика и рулетки?

К разделу «Термодинамика»

1. Как определить теплоту парообразования воды, располагая домашним холодильником, кастрюлей неизвестной емкости, часами и равномерно горящей газовой горелкой? Удельную теплоемкость воды считать известной.
2. Согласны ли вы с таким рассуждением: "Внутренняя энергия любого тела равна сумме энергий всех его молекул. А поскольку молекулы очень малы, то и потен циальная, и кинетическая энергии каждой из них тоже мала; следовательно, внутренняя энергия тела — величина ничтожно малая».
3. Придумайте свои проекты теплоизоляции двух зданий, одно из которых должно быть построено в тундре, а другое — в пустыне. На занятии вы защитите свои проекты.
4. В одной колбе выпаривают 300 г, а в другой нагревают 1,2 кг воды от 0 до 100 С (нагреватели колб одинаковы). Какой процесс закончится раньше: испарение воды из первой колбы или нагревание воды во второй? Докажите правильность своего ответа.
5. Найдите ошибки в следующем тексте: "Французский физик Э.Резерфорд, проведя исследования состава и строения атомов, сделал вывод, что каждый атом состоит из электронов, которые находятся в его центре; протонов, движущихся вокруг электронов, и нейтронов, располагающихся снаружи атома. Поскольку заряженные частицы сосредоточены внутри атома, а на его поверхности расположены нейтроны, не имеющие заряда, атом в целом нейтрален".
6. Как известно, чтобы приготовить пищу, надо подержать ее на огне, т.е. за счет теплопроводности подвести к ней тепло извне. А можно ли приготовить пищу, например, мясо, без передачи ей тепла?
7. Какие стаканы более пригодны для горячего чая: толстостенные или тонкостенные?
8. Почему опытная хозяйка, прежде чем разлить чай по стаканам, кладет в них металлические ложки?
9. Как поступить, чтобы быстрее охладить с помощью куска льда бутылку лимонада?
10. Таинственная вертушка  

Из тонкой папиросной бумаги вырежьте небольшой квадрат. Перегните бумажку по средним линиям и снова расправьте, оставив небольшие изломы на складках (см. рис.). Из-за того, что у бумажного квадратика есть складки, геометрический центр фигурыАне совпадает с центром тяжести, который находится вне фигуры. Положите теперь бумажку на острие торчащей иглы так, чтобы игла подпирала ее в т. А. Бумажка останется в равновесии. Заставьте вертушку вращаться то  быстрее, то медленнее.

11. В восточных сказках часто выпускают джинна из бутылки. Сначала из бутылки, красочно и причудливо изгибаясь, выходит белый дым, потом из клубов белого дыма появляется джин. Создать джина в домашних условиях будет трудновато, а вот порадовать глаза ваших друзей красочными водяными испарениями из бутылки вполне будет по силам. Заставьте подкрашенную воду из внутреннего сосуда подниматься вверх.
12. Как достать из воды монету, не намочив пальцев?   Положите монету на большую плоскую тарелку. Налейте столько воды, чтобы она покрыла монету. А теперь предложите гостям или зрителям достать монетку, не намочив при этом пальцев. Для проведения опыта необходим еще стакан и несколько спичек, воткнутых в плавающую на воде пробку. Зажгите спички и быстро накройте плавающую пробку.

К разделу «Электродинамика»

1. В длинном коридоре, лишенном окон, висит электрическая лампа. Ее можно зажечь и погасить выключателем, установленным у входной двери. Это неудобно выходящему на улицу, поскольку до выхода он вынужден добираться в темноте. Впрочем, вошедший и включивший при входе лампу тоже недоволен: пройдя коридор, он оставляет лампу, которая будет гореть напрасно. А нельзя ли придумать схему, позволяющую включать и выключть лампу из разных концов коридора?

2. Дочь обратилась к отцу, записывавшему при свете лампы показания электросчетчика, с просьбой отпустить ее погулять, давая разрешение, отец попросил дочь вернуться ровно через час. Как отец сможет проконтролировать длительность прогулки, не пользуясь часами?

3. Современные кофемолки приводятся в действие электродвигателем небольшой мощности. Как, не разбирая кофемолки, определить направление вращения якоря ее двигателя?

4. На столе лежат два совершенно одинаковых по внешнему виду бруска. Один из них изготовлен из мягкого железа, а второй — стальной и намагничен, как, пользуясь только этими двумя брусками, отличить магнит от простого железа?

5. Откуда появилась монета?

Посадите товарища за стол так, чтобы он не мог видеть дно стоящей перед ним чашки. На дно чашки положите монету, которая будет заслонена стенкой чашки от глаз зрителя, теперь торжественно заявите, что, не передвигая и не трогая монеты, вы сделаете так, что она будет видима. Попросите зрителя не поворачивать головы и налейте в чашку воды.произойдет чудо: монета сделается видимой для вашего зрителя. Удалите воду из чашки спринцовкой — и дно с монетой опять опустится.

6. Цыпленок и яйцо

В листе картона сделайте квадратный вырез и затяните его промасленной бумагой — получится экран. Позади экрана поставьте две лампы (см.рис.). Зрители должны сидеть за экраном и не видеть никаких подготовительных манипуляций

Зажгите первую лампу. Между ней и экраном поставьте на проволоке овальный кусок картона, тогда на экране появиться силуэт яйца. Теперь вы объявляете гостям, что приводите в действие «рентгеновский аппарат», который обнаружит внутри яйца цыпленка, и включите вторую лампу. Через мгновение зрители увидят, что силуэт яйца начинает постепенно светлеть, а в середине его появляется четкий силуэт цыпленка, картонный контур которого предварительно установлен между экраном и второй лампой.  

Список  литературы:

для учителя

1. Ф.Д.Бублейников,  И.Н.Веселовский «Физика и опыт», -- М.:«Просвещение» 1970.
2. А.С.Иванов, А.Т.Проказа «Мир механики и техники», -- М.:«Просвещение»  1993
3. Р.И.Малафеев «Проблемное обучение физики в средней школе», -- М.:«Просвещение» 1993
4. Р.И.Малафеев «Творческие задания по физике 6-7», -- М.:«Просвещение»  1993
5. В.Н.Ланге «Экспериментальные физические задачи на смекалку», -- М.: «Наука» 1979
6. В.П.Синичкин, О.П.Синичкина «Внеклассная работа по физике», -- Саратов ОАО «Изд «Лицей» 2002

1. Л. Гальперштейн «Забавная физика», -- М.: «Детская литература» 1993

для учащихся

7. М.И.Блудов «Беседы по физике», -- М.:«Просвещение»  1972
8. А.С.Иванов, А.Т. Проказа «Мир механики и техники», -- М.:«Просвещение»  1993
9. «Физика – юным» составитель М.Н.Алексеева, -- М.:«Просвещение»  1980
10. Я.И.Перельман«Завимательная физика», -- М.: «Наука»  1986
11. Энциклопедии по физике