Исследовательская работа по теме: Величайшие открытия истории физики

муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

Туруновская средняя общеобразовательная школа

Исследовательская работа по теме:
Величайшие открытия истории физики

Тематика: 

 Физика

Автор работы: 

 Ковальчук Георгий Андреевич

Руководитель проекта: 

 Ковальчук Андрей Николаевич

Учреждение: 

 МКОУ Туруновская СОШ

Класс:

11

2020

 В индивидуальной учебной работе по физике на тему «Величайшие открытия истории физики» рассматривается влияние физики и её открытий на развитие человечества на разных этапах его истории. Автор сравнивает жизнь общества до и после научной революции 16-18 вв.

Оглавление

Введение
1. Общая история физики.
1.1 Взаимосвязь развития науки и культуры.
1.2 Роль физики в жизни человека до научной революции XVI-XVIII веков.
1.3 Роль физики в жизни человека после научной революции XVI-XVIII веков.
2. Некоторые величайшие открытия истории физики и их роль в жизни современного человека.
2.1. Открытие явления радиоактивности и роль ядерной физики в современном мире.
2.2. Открытие и изучение электрических явлений. Электричество в повседневной жизни.
2.3. Роль электричества в жизни среднестатистической семьи.
Заключение
Список литературы
Приложение

Введение

Актуальность проекта. В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё 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 и позже мобильных телефонов, открытия в термодинамике позволили создать автомобиль, развитие электроники привело к появлению компьютеров.

Развитие фотоники способно дать возможность создать принципиально новые — фотонные — компьютеры и другую фотонную технику, которые сменят существующую электронную технику. Развитие газодинамики привело к появлению самолётов и вертолётов.

Знания физики процессов, происходящих в природе, постоянно расширяются и углубляются. Большинство новых открытий вскоре получают технико-экономическое применение (в частности в промышленности). Однако перед исследователями постоянно встают новые загадки, — обнаруживаются явления, для объяснения и понимания которых требуются новые физические теории. Несмотря на огромный объём накопленных знаний, современная физика ещё очень далека от того, чтобы объяснить все явления природы.

В современном обществе возникает потребность в большей осведомленности всех людей в области естественных наук, так как научные достижения, которые прочно вошли в нашу жизнь, начали представлять угрозу для существования жизни. Все чаще общественность включается в обсуждение научных проблем. Например, вопросы о захоронении радиоактивных отходов и использовании атомных электростанций обсуждаются даже в прессе.

Но для того, чтобы иметь свое мнение о чем-либо, необходим определенный уровень компетентности. Основная же масса людей совершенно не подготовлена к этому. Вот пример: многих пугает радиация, появилась даже болезнь – радиофобия, но эти люди не понимают, что без радиации не возникла бы жизнь на земле.

Данный проект был разработан с учётом понимания актуальности поднимаемой в нём проблемы.

Цель проекта – исследование влияния физики и её открытий на развитие человечества на разных этапах его истории.

Задачи проекта:

Изучить информацию по поднимаемой проблеме.

Выяснить закономерности между развитием физики как науки и его влиянием на человечество.

Привлечь внимания к проблеме неосведомлённости человека о роли физики в его жизни.

Практическая значимость проекта заключается в том, что он может быть использован для подготовки учеников и преподавателей к урокам, а также размещён на сайте «Обучонок», в качестве помощи в подготовке проектов другим ученикам.

Теоретическая значимость: Теоретическая значимость моей исследовательской работы заключается в том, что в ней непосредственно доказано, что физика играет немалую роль в развитии человечества в целом и в жизни современного человека.

Методы исследования: Исследовательский (сбор и анализ полученной информации из различных источников) и анкетирование.

Общая история физики

Связь физики с развитием общества прослеживается на протяжении всей истории развиия цивилизации. Эта связь не всегда носит однозначный характер, что обусловлено, прежде всего, естественным отставанием реализации тех или иных возможностей от потребностей общества. С другой стороны, на определенных стадиях физика как мощная ветвь дерева цивилизации начинает развиваться уже по своим собственным законам, слабо связанным с развитием общества в целом.

В таблице представлена хронологическая связь основных этапов развития физики и общества. По мере развития материального производства в древнем мире идет накопление знаний в области естествознания. Но в древнем Египте, Месопотамии, Индии и Китае эти знания не были систематизированы. Для развития физики, безусловно, важным является и уровень духовной культуры общества, который необходим для обобщения данных наблюдений, появления новых физических идей и представлений, создания стройной системы знаний. Особенно отчетливо это просматривается в истории физики античного мира.

Роль физики в жизни человека до научной революции XVI-XVIII веков

Определенные ценные знания по отдельным вопросам естествознания были у шумеров, вавилонян и египтян, но они носили случайный характер. И только после появления "чистых наук" - философии и математики в Древней Греции стали возможны систематические работы по описанию и объяснению явлений природы. При этом естественно использовались экспериментальные наблюдения, накопленные в процессе развития материальной культуры.

Достижение высокого общего культурного уровня в Греции при наличии обширного комплекса знаний и технических навыков обеспечило в 4 веке до н.э. начало работ по описанию, упорядочению и объяснению явлений природы. Поэтому именно в это время у Аристотеля в его натурфилософских работах появляется само понятие "физика" и закладываются основы физического мышления.

Подход Архимеда и других древнегреческих ученых к решению физических проблем основывался на простых, но строгих геометрических доказательствах, так что математика стала основным интеллектуальным орудием физики.

Следует отметить, что достижения александрийских механиков 2-1 веков до н.э. позволяли создавать очень нужные и полезные технические устройства. Но отсутствие соответствующей производственной базы задержало реализацию этих изобретений до 2-4 веков, когда они частично использовались при интенсивном строительстве в Римской империи, а внедрение подавляющего большинства изобретений затянулось до эпохи Возрождения.

После распада Римской империи в Европе наблюдается экономический упадок. Это определило то, что в средневековье там практически не наблюдалось развитие физики. Важным фактором, определившим развитие науки, явилось появление новых религий: христианства и ислама. Возникающие новые господствующие идеологии очень ревниво и враждебно относились к культурному наследию прошлого, философии и естественнонаучным трудам.

В конце 4 века под руководством александрийского архиепископа Феофила был организован разгром части Александрийской библиотеки, а в начале 5 века по указанию патриарха Кирилла был осуществлен разгром Александрийского музея, а также убиты многие его профессора. В 529 г. император Византии Юстиниан закрыл последнюю философскую школу в Афинах, а римский папа Григорий I специальным постановлением запретил чтение древних книг и занятие математикой и философией. Арабам же приписывают окончательное сожжение Александрийской библиотеки в 640 г.

По мере усиления и расцвета арабских государств ислам становится более терпимым, начинается ассимиляция культур и в арабском мире наблюдается развитие науки, поэтому достижения средневековой физики в основном связывают с арабскими учеными. При этом следует говорить об изменении отношения именно государств, а не религии, поскольку последняя крайне нетерпима к развитию науки, получению новых объективных знаний.[2] Для ортодоксальных религиозных идеологий главным является беспрекословное следование догмам, послушание, а не результат, и религия на протяжении практически всей истории негативно относилась к развитию физики и естествознания в целом.

В связи с этим в средневековой Европе, где католическая церковь имела огромную власть, даже после создания университетов развитие науки в них носит сугубо схоластический характер. И лишь после начала эпохи Ренессанса, возрождения как материальной, так и духовной культуры наблюдается отказ от схоластического мышления в науке и появляются основоположники экспериментального метода в физике - Леонардо да Винчи и Галилео Галилей.

Происходящая в это время промышленная революция, применение машин в мануфактурном производстве ставит новые проблемы перед физикой. Достижения античной статики уже практически исчерпаны, и в отличие от техники древности, где в основном использовалась наука о равновесии, в технике мануфактурного периода вперед выходит задача освоения и передачи механического движения. Такие задачи в полной мере решает созданная в 17-18 веках классическая механика.

Роль физики в жизни человека после научной революции XVI-XVIII веков

Промышленная революция в 19 веке дополнительно стимулировала развитие физики. При этом, прежде всего, следует отметить влияние практического использования паровой машины и потребности ее совершенствования на развитие термодинамики. А успехи учения о теплоте в свою очередь способствовали развитию теплотехники во второй половине 19 века, поскольку конструкторы новых тепловых машин - двигателей внутреннего сгорания опирались на теоретические положения термодинамики.

Также необходимо сказать о бурном развитии электротехники в 19 веке, где широко и активно использовались открытия Вольта, Ампера, Фарадея и других физиков в области электромагнетизма. При этом следует подчеркнуть, что пути и сроки реализации технических применений различных физических открытий могут быть разными, поскольку развитие техники происходит по своим внутренним законам. Например, применения электричества для передачи сигналов на расстояния предлагали Вольта, Ампер и другие исследователи. Но реализация телеграфа стала возможна лишь после удачного предложения в 1832 г. телеграфного алфавита американским изобретателем Самуилом Морзе (1791-1872).

После завершения построения классической физики развитие современной физики в большей степени происходило по объективным законам собственной логики. Так, и теория относительности, и квантовая физика возникли вследствие необходимости преодоления внутренних противоречий в физике, которые не могли быть разрешены в рамках классической теории. И теперь уже достижения квантовой и ядерной физики в 20 веке стимулировали развитие техники и обеспечили полномасштабную научно-техническую революцию в материальном производстве.

Влияние развития культуры на физику также не носило односторонний характер. Помимо влияния физики на промышленную и научно-техническую революции 19 и 20 веков, физика активно и глубоко проникала и в процессы духовного формирования общества. Это, прежде всего, развитие во многом определяющих современную духовную культуру средств связи и массовой информации, появление которых было бы невозможно без достижений физики. А успехи атомной и ядерной физики 20 века в огромной степени обусловили изменение сознания общества в различных направлениях, начиная с политики и кончая экологией.

Необходимо отметить еще один аспект связи физики и общества: влияние государственного устройства на развития физики, что наиболее наглядно проявилось в 20 веке. В основном успехи физики определялись достижениями ученых в демократических государствах, а тоталитарные режимы вынуждали, как правило, эмигрировать представителей научной элиты (Россия, Италия, Германия).

Но эта связь не является однозначной, поскольку в тоталитарных государствах на решении ряда научно-технических проблем (в особенности по вопросам совершенствования военной техники) сосредотачивались огромные материальные и людские ресурсы. Причем очень большое внимание уделялось развитию физического образования в массовом масштабе. А уже по закону больших чисел здесь всегда находились ученые, которые успешно занимались не только задачами прикладного характера, но и делали фундаментальные открытия.

Открытие явления радиоактивности и роль ядерной физики в современном мире

В 1896 году французский химик Антуан Анри Беккерель случайно открыл радиоактивность солей урана, проявляющуюся в самопроизвольном испускании невидимых лучей, способных вызывать ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана и тория.

Детальное экспериментальное изучение радиоактивных излучений было произведено Резерфордом. Он показал, что радиоактивные излучения образованы, соответственно, α-, β- и γ-лучами. Бета-лучи состоят из отрицательно заряженных электронов, альфа-лучи — из положительно заряженных частиц (альфа-частиц, которые, как выяснилось несколько позднее, являются ядрами гелия-4), гамма-лучи аналогичны лучам Рентгена (не имеют заряда), только значительно более жесткие.

Ядерная природа радиоактивности была понята Резерфордом после того, как в 1911 г. он предложил ядерную модель атома и установил, что радиоактивные излучения возникают в результате процессов, происходящих внутри атомного ядра.

Долгое время предполагалось, что ядро состоит из протонов и электронов. Однако такая модель находилась в противоречии с экспериментальными фактами, относящимися к спинам и магнитным моментам ядер. В 1932 г. после открытия Чедвиком нейтрона было установлено (Иваненко и Гейзенберг), что ядро состоит из протонов и нейтронов.

Благодаря ядерной физике промышленность вооружилась атомными электростанциями и реакторами для опреснения воды и получения трансурановых элементов. Кроме того, были изобретены источники γ-излучения для дефектоскопии, активационный анализ для экспресс-определения примесей в сплавах, угле и т. д. Огромное значение имеют изотопные источники тока и тепла. Их применяют для энергоснабжения труднодоступных районов и автоматических станций (например, метеорологических или спутников Земли).

Источники γ-излучения применяются для автоматизации различных операций (например, измерение плотности среды, толщины слоя угольного пласта и т. д.). В сельском хозяйстве нашли применение установки для облучения овощей и фруктов с целью предохранения их от гниения и плесени. Кроме того, разработаны способы выведения новых сортов растений путем генетических трансмутаций. Неоценима помощь ядерной физики в геологии, медицине, биологии и многих других областях знаний, так как с ее помощью можно получать невероятно точные и быстрые результаты.

Однако Чернобыльская катастрофа поставила под сомнение идею использования ядерной энергии как оптимальной альтернативы природным источникам энергии. Кроме того, с каждым годом все острее встает проблема захоронения ядерных отходов, а ядерное оружие до сих пор остается одним из опаснейших видов вооружения. Участившиеся в последнее время техногенные катастрофы поставили перед учеными новую задачу — научиться использовать ядерную физику, максимально обезопасить окружающую среду и человека от возможных негативных последствий.

Применение радиоактивных излучений:

Для исследования обмена веществ в организме человека;

Для лечения онкологических заболеваний, рентгенодиагностика, рентгенотерапия;

В промышленности: контроль износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания; слежение за процессами в доменных печах; исследование структуры металлических отливок с целью обнаружения дефектов;

В сельском хозяйстве: увеличение урожайности при облучении семян растений; осуществление контроля за усвоением растениями удобрений во время роста и созревания;

В археологии: определение возраста органических соединений, организмов методом радиоактивного углерода.

Отдельное внимание стоит обратить на ядерную энергетику – отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.

Атомная энергетика, занимающаяся добычей энергии ядер атомов, берет свое начало ещё в XX веке, а именно в 1932 году, когда немецкий физик В. Гейзенберг и советский физик Д. Д. Иваненко описали протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома состоит из элементарных частиц, при разделении которых выделяется так называемая ядерная энергия. Таким образом, был открыт новый способ выработки энергии. В 1954 году в подмосковном городе Обнинске в СССР, стала функционировать первая в мире АЭС (атомная электростанция). С тех пор данный метод получения энергии стал интенсивно развиваться.

Что же вызвало интерес к атомной энергетике? Давно не секрет, что основные источники тепла — уголь, нефть, газ — не бесконечны. По некоторым оценкам органического топлива должно хватить лишь на полторы сотни лет, причем эти данные не учитывают постоянного роста потребления энергии человеком. Значит, перед человечеством стоит следующий вопрос: где добыть неиссякаемые источники энергии? К возобновляемым источникам энергии относятся: солнце, вода, ветер и атомы. Энергия, получаемая посредством первых трех источников не слишком велика, в отличие от атомной, потому именно атомная энергетика имеет наибольший потенциал.

Открытие и изучение электрических явлений. Электричество в повседневной жизни

Электричество (от лат. electricus, далее из др.-греч. ἤλεκτρον) — совокупность явлений, обусловленных существованием, взаимодействием и движением электрических зарядов. Термин введён английским естествоиспытателем Уильямом Гильбертом в его сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» (1600 год), в котором объясняется действие магнитного компаса и описываются некоторые опыты с наэлектризованными телами. Он установил, что свойством наэлектризовываться обладают и другие вещества.

То, как люди стали производить, распределять и использовать электроэнергию и устройства, на которых протекают процессы генерации, является кульминацией почти 300 летней истории исследований и разработок электричества.

Сегодня ученые считают, что человечество начало использовать электроэнергию намного раньше. Примерно в 600 году до н.э. древние греки обнаружили, что потирание меха на янтаре вызывает притяжение между ними. Это явление демонстрирует статическое электричество, которое полностью описали ученые в 17 веке в пояснениях, как появляется электричество.

Кроме того, исследователи и археологи в 1930-х годах обнаружили горшки с листами меди внутри, и объяснили их происхождение, как древние батареи, предназначенные для получения света в древнеримских местах. Подобные устройства также были найдены в археологических раскопках возле Багдада, а это означает, что древние персы также могли открыть конструкцию ранней формы батарей.

К 17 веку было сделано много открытий, связанных с электричеством, таких как изобретение раннего электростатического генератора, разграничение положительных и отрицательных зарядов и классификация материалов в качестве проводников или изоляторов.

В 1731 году в «Философских трудах», издании «Королевского общества», появилась статья, сделавшая гигантский скачок вперед для молодой электротехники. Её автор английский ученый Стивен Грей (1670-1736), проводя эксперименты по передаче электрического тока на расстояние, случайно обнаружил, что не все материалы обладают способностью передавать электричество одинаково. Далее произошло создание аккумулятора — «Лейденской банки», устройства для хранения статического электричества. Процесс был случайно обнаружен и исследован голландским физиком Питером Ван Мюссенбруком из Лейденского университета в 1746 году и независимо от него немецким изобретателем Эвальдом Георгом фон Клейстом в 1745 году. Примерно в этот же период русские учёные Г. В. Рихман и М. В. Ломоносов проводили работы по изучению атмосферного электричества.

Итальянский физик Алессандро Вольта обнаружил, что определенные химические реакции могут производить электричество, а в 1800 году он создал гальванический элемент, раннюю электрическую батарею, вырабатывающую постоянный электроток. Он также выполнил первую передачу тока на расстояние, связав положительно и отрицательно заряженные разъемы и создав между ними напряжение. Поэтому многие историки считают, что 1800 — это год изобретения электричества.

В 1831 году электричество стало возможно использовать в технике, когда Майкл Фарадей создал электродинамо, решившее на практике проблему генерирования постоянного электротока. Довольно простое изобретение с использованием магнита, перемещавшегося внутри катушки из медного провода, создавал небольшой ток, протекающий через провод. Оно помогло американцу Томасу Эдисону и британскому ученому Джозефу Свону, каждому в отдельности, примерно в одно время в 1878 году изобрести лампу накаливания. Сами лампочки для освещения были изобретены другими исследователями, но лампа накаливания была первым практичным устройством, дававшем свет в течение нескольких часов подряд.

В 1800-х и в начале 1900-х годов, сербско-американский инженер, изобретатель и мастер электротехники Никола Тесла стал одним из авторов зарождения коммерческого электричества. Он работал совместно с Эдисоном, сделал много революционных разработок в области электромагнетизма и хорошо известен своей работой с двигателями переменного тока и многофазной системой распределения энергии.

В современном мире потребление электроэнергии огромно, а наша жизнь неотрывно связана со многими приборами, работающими от электричества. 40% электроэнергии используется в жилых целях, 47% – в промышленности, 13% теряется при передаче. При этом количество электроприборов, окружающих нас, не становится меньше, оно постоянно увеличивается из года в год. Электрический свет, тепло, горячая вода, столь необходимые для полноценного уюта и комфорта в доме, также поступают к нам благодаря электроэнергии.

Делая свою жизнь комфортней, человек все более становится зависимым от электроснабжения. Любые отключения электроэнергии, пусть даже и кратковременные, имеют негативные последствия. При этом нельзя забывать о промышленных и социально значимых объектах, в которых наличие электроэнергии является необходимостью.

В целом, начиная с XIX века, электричество плотно входит в жизнь современной цивилизации. Электричество используют не только для освещения, но и для передачи информации (телеграф, телефон, радио, телевидение), а также для приведения механизмов в движение (электродвигатель), что активно используется на транспорте (трамвай, метро, троллейбус, электричка) и в бытовой технике (утюг, кухонный комбайн, стиральная машина, посудомоечная машина).

В целях получения электричества созданы оснащённые электрогенераторами электростанции, а для его хранения — аккумуляторы и электрические батареи.

Сегодня также электричество используют для получения материалов (электролиз), для их обработки (сварка, сверление, резка) и создания музыки (электрогитара).

Роль электричества в жизни среднестатистической семьи

Мы уже выяснили роль физики в истории развития человечества, а чтобы понять её роль в жизни современного человека мы провели анкетирование среднестатистической семьи, для того, чтобы определить её роль для нескольких поколений. Опрашиваемым предлагалось шесть вопросов, которые помогли нам определить потребность современного человека в использовании электричества и электроприборов.

Семья (три поколения: старшее – бабушка и дедушка, среднее – трое их детей с супругами, и младшее – четверо внуков, всего 12 человек) ответила на заданные вопросы, в результате чего обнаружилось, что:

Все три поколения единогласно признают, что в современном мире без электричества жизнь фактически невозможна и что электроприборы значительно упрощают их жизнь;

Старшее поколение легко бы отказалось от использования той части техники, которая не несёт бытовую нагрузку (телефон, компьютер), но не смогли бы уже отказаться от бытовой техники (холодильник, кухонная плита, пылесос);

Среднее поколение, помимо бытовой техники, уже не отказалось бы от компьютера, потому что работа в современном мире тесно связана с компьютерными программами;

Младшее поколение не представляет своей жизни без использования электричества;

Удивительно, но старшее поколение не смогло бы представить свой день без использования электричества, в то время как младшее с огромной радостью провело бы один день без электричества;

Выбирая, от каких электроприборов не смогли бы отказаться без сложностей, старшее поколение назвало холодильник и стиральную машину, в то время как младшее не обошлось бы без телефона и компьютера. Среднее поколение не смогло бы отказаться от того и другого;

Когда мы попросили назвать то, без чего они бы смогли легко прожить, все три поколения назвали мелкую бытовую технику (микроволновка, блендер).

Заключение

Физика с каждым днём всё больше входит в нашу жизнь, поэтому знание и понимание основных физических знаний просто необходимо современному человеку. В результате работы над проектом мы получили новые знания о различных областях физики и её роли в развитии человеческого общества, узнали важнейшие открытия физики, исследовали важнейшие открытия электромагнитной и ядерной физики, провели опрос среднестатистической семьи о роли электричества в жизни разных поколений.

В ходе работы мы:

Исследовали информации по поднимаемой проблеме.

Выявили закономерности между развитием физики как науки и его влиянием на человечество.

Узнали роль электричества в повседневной жизни, проведя опрос среднестатистической семьи.

Человек должен понимать, что в современном мире физика – одна из главных для познания мира наук.

Список литературы и источники

Льоцци М. История физики. – М.: Мир, 1970. – 464 с.

Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1974. – 312 c.

Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с древнейших времен до конца XVIII века. – М.: Наука, 1974. – 351 с.

Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX веков. – М.: Наука, 1979. – 320 с.

Храмов Ю.А. Физики: Биографический справочник. - М.: Наука, 1983. – 400 с.

Приложение. Опрос

1. Какими электроприборами вы пользуетесь каждый день?
А. Бытовая техника (плита, утюг, чайник)
Б. Персональный компьютер и его аналоги (планшетный компьютер, телефон)
В. Оба варианта

2. Обратили ли вы внимание на то, что роль электричества в повседневной жизни постоянно увеличивается?
А. Да, обратил(а)
Б. Нет, не обратил(а)
В. Не задумывался(лась)

3. Можете ли вы представить себе свой день без использования электроприборов?
А. Могу
Б. Могу отказаться от некоторых
В. Не могу

4. Упрощает ли использование электричество вашу жизнь?
А. Значительно упрощает
Б. Частично упрощает
В. Не упрощает

5. Напишите, от каких электроприборов вы бы:
- легко отказались?
- не смогли отказаться?

6. Возможна ли жизнь современного человека без использования электроэнергии?
А. Да, возможна
Б. Нет, не возможна
В. Не знаю