История физики.

Введение

История физики – история возникновения и развития физической науки как нечто целое, занимающее определенное место в жизни людей. Автор рассматривает физику в двух направлениях: 1) как единое целое, возникшее от некоторой ступени человеческого развития 2) развитие физической науки рассматривается совместно с историей развития человеческого общества.
В качестве первой задачи физика ставит перед собой задачу выяснения всех исторических фактов (для воссоздания всех этапов ее развития). Вторая задача – анализ и сопоставление фактических данных, позволяющих достоверно доопределить те или иные пути развития физической науки.
Основным методом исследования во всех естественных науках является эксперимент. Физика представляет собой общественное явление и имеет свои объективные законы развития, которые так же можно установить, исследуя исторический ход развития данной науки. Зная данные законы человек может предполагать дальнейшие пути развития данной науки и использовать это в своих дальнейших целях. Понятие закона или закономерности в физике очень широко. В первую очередь сюда относятся общие закономерности развития науки, которые обусловлены важностью ее роли в общественной жизни. Во-вторых, к закономерностям развития науки относятся закономерности, определяемые предметом исследования данной науки и свойствами человеческого сознания.
При изучении какой-либо науки (в нашем случае физики) необходимо делать экскурсы в ее историю. Это позволит получить правильное представление о том, как развивалась данная наука в процессе познания человеком природы, как появлялись новые идеи и с каким сложностями сталкивались ее ученые.

Подготовительный период в истории развитии физической науки.
Начиная с первобытных времен человек в процессе своей жизни накоплял знания об окружающей действительности. Однако приобретенные им знания не могли составлять науку: они не были объединены какими-либо теориями, не были систематизированы.
Впервые в истории наука появляется с возникновением рабовладельческого общества. Параллельно с развитием рабовладельческого строя происходит его деление на классы. Появляются группы людей, способные зафиксировать какие-либо знания о природе, систематизировать их и выявить какую-либо закономерность.
Первые познания науки имели место в древних рабовладельческих государствах: Египет, Китай, Индия. Можно заметить, что бытовые потребности человечества способствовали развитию самых древних наук: математики и астрономии. Астрономические знания не ограничивались только составлением календаря и измерением времени, но и позволяли ориентироваться на местности определять направление во время путешествий. Мореходство способствовало изучению и расположению небесных светил, а значит изучало астрономию.
Второй по счету древнейшей наукой является математика. Ее возникновение развитие произошло все в тех же ранее упомянутых странах. Еще в древнейшие времена возникает понятие числа. Немногим позднее под влиянием необходимости решения практических бытовых задач понятие числа начинает развиваться, появляются различные системы счета. Кстати, современная десятичная система счета возникла в Древней Индии.
Однако данные науки в древнейшем мире находились еще в зарождающемся состоянии. Они представляли собой отрывчатые сведения, отдельные правила. Говорить о появлении физической науки в тот древнейший период жизни человечества нельзя.
В III веке до нашей эры в древний мир приходят большие изменения. Период времени, начинающийся с завоеваний Александра Македонского характеризуется все более новой техникой. Наибольшие достижения достигаются в военном искусстве (технике), мореплавании. Строительство так же не осталось без нововведений и совершенствований. В строительной технике появляются новые механизмы, особенно подъемные. Военная техника так же не осталась без модернизации и усовершенствований. Еще тогда существовали какие-либо метательные машины, которые претерпев ряд изменений нашли применение в качестве основных осадных орудий (катапульта, баллиста).
В условиях активного развития мореплавания появилась возможность обобщения научных знаний уже в отдельные конкретные науки. В Древней Греции можно выделяются философия и науки физики-математического цикла. Появляются простейшие представления о механике – учение о равновесии тел и жидкостей, создаются представления об оптике.
В Древнем мире город Александрия становится научным и культурным центром, а также и сокровищницей знаний Развитие многих наук, а именно математики, астрономии и др. тесно связано с Александрией. В данном городе располагалась и огромнейшая библиотека, хранившая в себе более 500 000 различных сведений. Александрийский ученый Евклид живший в III веке до нашей эры в своих учения обобщил и систематизировал все знания, копленные его предшественниками в области математики. Созданная им система геометрии была настолько совершенной, что не претерпевала изменений еще несколько столетий, ей пользовались известные математики, физики, философы.
Данный период времени не обошелся и без появления первоначальных знаний о высшей математике. Огромные заслуги в данной области принадлежат всем известному ученому того времени – Архимеду, решившему труднейшие задачи своего времени. Однако, возникновение высшей математики как отдельной науки относится уже к последующим периодам.
Некоторые вопросы астрономии были тесно связаны с общими теорико-познавательскими вопросами, механикой. Неудивительно, что изучения механического движения началось с изучения движения небесных тел. Движения небесных тел представляется с земли как равномерное круговое движение. В тоже время возникла и другая теория, которая в средние века получило название Impetus. Ее основоположником был древнегреческий ученый и философ Филопон. Он полагал, что движущемуся тему движущее тело сообщает некоторую «движущую силу», которая продолжает двигать это тело, пока не израсходуется. Данная идея нашла свое развитие спустя несколько столетий и сыграла основную роль в последующем развитии механики.
В древности возникли статика и гидростатика, появлением которых были непосредственным образом с решением технических задач, стоявших в то время. Основную роль в зарождении статики и гидростатики сыграл Архимед. Его работы по данной тематики в отличии от предыдущих его сочинений лишены наличия философских высказываний. Архимеду прежде всего принадлежит установление понятие центра тяжести тела. По гидростатике известно одно сочинение Архимеда «О плавающих телах», в котором рассматривалась задача равновесия плавающих тел. В основе теории равновесия плавающих тел лежит закон названный в честь Архимеда. При доказательстве в начале были сформулированы постулаты, а затем доказывает теорему. Архимед так же пытался установить закон преломления света, однако, у него это так и не получилось.


Наука дальнего востока и Индии.
Значительного успеха в разные времена в Индии и Китае достигла математика. В первые века существования нашей эры важнейшим вкладом в развитие математики стало создание десятичной системы счисления в Индии. Практическое применение накопленных знаний и изучение свойств металлов нашли свое отражение в создание необходимых предметов. Китайцы, зная о свойствах магнитного железняка сориентироваться в определённом направлении относительно частей света создали компас.
Развитие науки в Европе в средние века до начала научной революции.
Все более быстрыми темпами развивалась техника, значительно обогатилась архитектура. Архитекторам, строившим все более грандиозные знания, приходилось решать новые технические задачи. Свои развитие получили и другие отрасли производства: в горнодобывающей промышленности появились новые механизмы для откачки воды из шахт, подъёмники, развивалась металлургия. В XII веке были изобретены первые механические часы.
В области механики стоит отметить работы, относящиеся к кинематике. Некоторые ученые начинают задумываться над законами равноускоренного движения. Они вводят понятие средней скорости и оперируют с понятиями мгновенной скорости и ускорения. Но дать определения данным понятиям они пока не могут.
Таким образом в средние века во времени господства религиозного мировоззрения имели место прогрессивные процессы. Развивалось производства, принося все более новый научный материал, делались первые шаги для развития научного наследия. В духовную жизнь Европы начали проникать элементы материализма.
Научная революция, начавшая в XVI веке, охватила все стороны мировоззрения. Она началась с великого сочинения Коперника и достигает своего апогея в деятельности Галилея. В результате его деятельности и ряда других ученых начинается развиваться естествознание и в частности физика.
Научная революция XVI-XVII века.
Естественным источником знания является опыт (с) Леонардо да Винчи. Только обосновываясь на опыте, можно достигнуть положительных результатов в познании природы. Научные исследования Леонардо да Винчи касались многих вопросов, стоявших перед наукой того времени. ООН уделял большое внимание вопросам статики: исследовал условия равновесия, изучал равновесие груза на наклонной плоскости. Так же немало времени отводил вопросам динамики.
Научная революция в астрономии начинается с появлением знаменитого труда Николая Коперника, в котором он отверг систему мира Птолемея и разработал свою гелиоцентрическую систему. Земля не является центром Вселенной, им является Солнце, оно неподвижно. Главные положения учения Коперника до сих пор лежат в основе наших представлений о солнечной системе. Коперник не просто отведал новую систему мироздания, но и обосновывал ее.
Великий ученый Галилео Галилей вел решительную борьбу за признание учения Коперника. Галилей был одним из основателей естествознания. С помощью самостоятельно сконструированной зрительной трубы сделал ряд важнейших наблюдений. Поверхность Луны не имеет принципиальных отличий от поверхности Земли. Она имеет впадины и возвышенности. Сделав свои открытия Галилей распространял учения Коперника как теорию действительного строения Вселенной

.
«Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никаких сопротивлений движению, то, как мы знаем из всего того, что было изложено выше, движение его является равномерным и продолжалось бы постоянно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца». В таком виде Галилео формирует закон инерции. Это еще не общая формулировка закона, она была дана позднее, но первый шаг был сделан. Одновременно с законом инерции Галилей использует закон независимости действия сил.
Открытия Галилея в области механики были непосредственно связаны с обоснованием закона Коперника, а также имели собственное значение. С работ Галилея начинает развиваться механика, как учение о механическом движении. Галилею, как одному их представителей научной революции, принадлежит заслуга не только в борте за обоснование трудов Коперника, но и как основоположнику механики.
Физика в XVII столетии развивалась и накапливала все новый и новый фактический материал, устанавливая количественные соотношения между различного рода физическими величинами. Физика Декарта, явившаяся родоначальницей механического мировоззрения, была отвергнута трудами Ньютона. Учение Декарта – система, претендовавшая на установление наиболее общих истин, на создание общей картины природы. Декарт не просто давал общее понятие материи, а определял ее конкретно, как некую физическую модель. Учение Декарта занимает промежуточное положение между наукой древности и естествознанием того времени. Это переход к новой ступени познания природы человеком.
Первые шаги в развитии физики.
Период формирования физических наук приходится примерно на XVII век. Он начинается с работы Галилея и заканчивается исследованиями Ньютона. В данный период значительных успехов достигает горнодобывающая, металлургическая и металлообрабатывающая промышленность. В отличии от техники древности, важнейшей проблемой которой была проблема равновесия, в технике мануфактурного производства на первое место выходит проблема механического движения. Механизмы того времени давали материал для изучения превращения потенциальной энергии в кинетическую, передачи механического движения от одного тела к другому и т.д.
Механика как учение о движении начинается развиваться по-настоящему в работах Галилея. Первый этап ее развития завершается выходом в свет главного труда Ньютона «математические начала натуральной философии» - первого систематического изложения классической механики. Механика дооньютоновского периода развивалась в основном в направлении решения простейших механических задач. Самые простые задачи механики были решены Галилеем. Следует отметить что, механикой Галилей занимался не только для оправдания учения Коперника, другой причиной была техническая проблематика, к которой он проявлял большой интерес. Галилей решает задачу свободного падения тел, движения тела, брошенного под углом к горизонту, а также рассматривает движение тела по наклонной плоскости. Рассматривая движение тела по наклонной плоскости, он делает еще один шаг в развитии динамики. Он выдвигает связь движения тела с силой, вызывающей это движение. Галилей использует понятие «момента» или «импульса».
Следующей задачей того времени, которая была решена, была задача о маятнике. Решение задачи была связано непосредственной с задачей измерения времени. Галилею принадлежит идея использования маятника для устройства часов. ОН создает проект часов с маятников, который так и не был претворён в жизнь. Часы были изобретены другим голландским учёным Христианом Гюйгенсом. Гюйгенс решает задачу о колебаниях физического маятника, а также делает первый шаг в развитии учения о невозможности вечного двигателя и о сохранении энергии. В рассматриваемый период решалась задача об ударе тел. Были рассмотрены упругий и неупругий удар. Гюйгенс формулирует правильный закон сохранения количества движения применительно к явлению столкновения двух тел.
Следующей задачей динамики, послужившей предметом исследования, была задача движения материальной точки по окружности. Её так же успешно рассмотрел Гюйгенс и опубликовал полученные результате в своей научной работе. ОНО приводит рассуждения, касающиеся установления связи между силой и ускорением.
Развитие оптики.
Серьезное развитие в XVII веке получила оптика. Еще в древности были известны два основных закона геометрической оптики: прямолинейного распространения света и отражения. Существенный шаг вперед сделал немецкий астроном Иоганн Кеплер. Он построил теорию об оптических приборах, а также объяснил принцип действия глаза. Кеплер рассматривал каждую точку светящегося предмета как источник расходящегося пучка лучей. Оптический прибор превращается этот расходующийся пучок лучей в сходящийся и собирает его в одну точку, которая является изображением точки предмета. Разрабатывая теорию оптических приборов, Кеплер ввел целый ряд понятий и названий, которые применяются в оптике до настоящего времени (фокус, оптическая ось и др.). После открытия закона преломления света развитие геометрической оптики пошло быстрее. Были разработаны методы расчета оптических линз, способы улучшения оптически приборов.
В XVII веке были сделаны первые открытия в области волновой оптики, описано явление дифракции. Так же было открыто явление интерференции света. Это явление сначала исследовал Роберт Гук, а затем Ньютон. Ньютон произвел соответствующие измерения и получил хорошие результаты, однако теоретические это явление не обосновал.
Важным достижением оптики того времени было определение скорости света. До этого не было представления о том, имеет ли свет конечную скорость, если имеет, то какую? Датский астроном Ремер измерил время затмения спутников Юпитера и на основании этого сделал вывод, что скорость очень велика. Полученное им значение было 300 870 км/с.
Рассматривается вопрос о природе света. Еще в древности наметились два основных воззрения на природу света. Согласно первому свет – действие или движение, передающееся от светящегося предмета особой средой. Согласно второму, свет – особая субстанция, распространяющаяся от от светящегося тела. Эти направления является исходными точками двух теорий света – волновой и корпускулярной.
Исаак Ньютон.
Ньютон сыграл важнейшую роль в развитии физики. Он завершил период становления физики как самостоятельной науки, обобщив и развив в своих трудах все достигнутое ранее. Первые работы Ньютона по физике относятся к оптике, они и принесли ему известность.
Ньютон занимался исследованиями в области механики еще в студенческие годы. В это время у Ньютона уже в основном сформировались такие понятия как масса и сила, ему так же были известны второй и третий закон динамики. Он рассмотрел движение материальной точки внутри сферы по большому кругу и определили силу с которой эта точка действует на сферическую поверхность. У Ньютона возникает идея о тождестве силы тяжести и силы тяготения. Из третьего закона Кеплера он выводит выражение для силы тяготения – открывает закон всемирного тяготения.
Ньютон вводит в механику новое понятие массы, отделяя его от понятия вес тела. Необходимо было новое понятие, которое характеризовало бы механические свойства самого тела, не зависящее от его формы, движения и отношения к другим телам. Такой величиной в классической механике является масса. Определив основные понятия механики массу и силу Ньютон рассматривает понятия пространства, времени, движения. Ньютон разделяет абсолютное и относительное время, пространство и движение. Абсолютное движение – движение относительного абсолютного пространства и времени, относительное движение – движение относительного относительного пространства и времени.
После того как Ньютон сформулировал основные понятия механики, он устанавливает основные законы движения:
Всякое тело продолжает удерживаться в своём состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменять это состояние.
Изменение количества движения пропорционально приложенной движущейся силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
Действию всегда есть равное и противоположное действие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.
Ньютон подвел итог развития физики, сформулировал основные представления и законы механики, сделал крупнейшие открытия в оптики и наметил дальнейшие пути ее развития. Таким образом, Ньютон завершил период становления физики как самостоятельной науки.

Начало развития учения о теплоте, электричестве, магнетизме.
Важнейшим достижением техники XVIII в. было изобретение паровой машины. Первая паровая машина непрерывного действия с автоматическим регулированием пуска и выпуска пара была построена Иваном Ивановичем Ползуновым на Алтае в 1765 г. Решающий шаг в изобретении паровой машины был сделан англичанином Джемсом Уаттом. Уатт изобрел паровую машину непрерывного действия, запатентовал свое изобретение.

Практика по-прежнему определяет содержание и особенности развития физической науки в XVIII в. Особенно быстрыми темпами развивается механика. Практические потребности производства способствуют развитию аналитической механики. В результате работ Эйлера, Даламбера, Лагранжа и других создается аналитический аппарат механики, начинает развиваться аналитическая механика. По-прежнему развивается оптика, хотя ее успехи не идут ни в какое сравнение с успехами механики, а также с успехами этой области физических наук в предыдущее столетие. Практические потребности вызывают к жизни первые серьезные исследования по теплофизике, электричеству и магнетизму. Оба эти раздела физики оформляются как определенные области физической науки и достигают в XVIII в. первых успехов.
Тепловыми явлениями ученые и философы начали интересоваться еще в древности. Однако ничего, кроме самых общих предположений об этих явлениях, носивших обычно самый фантастический характер, ни в древности, ни в средние века высказано не было