CC BY
43I. ФИЗИКА И АСТРОФИЗИКА
ЭЛЕМЕНТЫ ИСТОРИИ ФИЗИКИ В ПРОГРАММЕ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА ДИСЦИПЛИНЫ «ОБЩАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
ФИЗИКА - МЕХАНИКА»
Погожев С.Э.
ФГБОУ ВО «Вологодский государственный университет», г. Вологда
Аннотация
В статье представлена содержательная часть программы лекционного курса «Общая и экспериментальная физика - Механика», читаемого студентам, обучающимся по направлению 44.03.05 Педагогическое образование направленности (профилю) Математическое и физическое образование. Программа, кроме основных вопросов, содержит краткие биографические сведения об ученых, внесших наиболее значимый вклад в развитие и становление данного раздела физики.
Ключевые слова: преподавание физики, история физики, принцип историзма, познавательная деятельность.
В современной физике происходит открытие новых явлений, устанавливаются законы, совершенствуются теоретические и экспериментальные методы исследования, разрабатываются и внедряются новые теории. Все происходящие изменения в современной физике вносят определенные коррективы в учебное познание этой науки. Использование исторических сведений способствует побуждению интереса студентов к физике как науке. В процессе изложения нового материала необходимо предложить хотя бы краткую историческую справку о том или ином физическом явлении, процессе, законе, ученых, сделавших данное открытие
[1]. Принцип историзма играет важнейшую роль в преподавании физики, в теории и практике научного и учебного познания, а в итоге - формировании компетентности в области познавательной деятельности.
Автор настоящей работы на протяжении многих лет, читая лекционные курсы по общей и экспериментальной физике, использует краткие сведения из истории физики, реализуя тем самым начальный этап освоения исторической информации [1]. Дальнейшее и более детальное ее изучение осуществляется, как правило, в отдельном курсе истории физики.
Предлагаем для рассмотрения и практического использования содержательную часть рабочей программы лекционного курса дисциплины «Общая и экспериментальная физика - Механика», содержащую краткие сведения об ученых [2, 3, 4], которые внесли существенный вклад в становление и развитие механики, как базового раздела общей физики.
Раздел 1. Кинематика материальной точки Предмет механики. Системы отсчета. Движение, относительность движения. Эталоны длины и времени. Перемещение и путь. Скорость и ускорение при движении материальной точки по прямолинейной траектории. Движение материальной точки в пространстве: путь, перемещение, скорость, ускорение. Свойства пространства и времени в классической механике. Принцип независимости перемещений. Движение тела, брошенного в однородном поле тяготения под углом к горизонту. Движение материальной точки по окружности. Угловое перемещение, скорость, ускорение. Связь линейных и угловых величин.
Кориолис Гюстав (1792-1843) - французский физик и инженер, ввел понятие «работа» и сформулировал теорему «живых» сил (теорему об изменении кинетической энергии), разработал теорию сложного движения точки, ввел дополнительное ускорение (кориолисово ускорение), которое вызывается силой инерции, обусловленной влиянием вращения движущейся
системы отсчета на относительное движение точки (кориолисова сила).
2
Галилей Галилео (1564-1642) - итальянский физик, один из основателей точного естествознания. Установил закон инерции, законы свободного падения, движения тел по наклонной плоскости и тела, брошенного под углом к горизонту, открыл закон сложения движения и закон постоянства периода колебаний маятника, заложил основы динамики, открыл принцип относительности для прямолинейного равномерного движения и принцип постоянства ускорения силы тяжести.
Раздел 2. Динамика Законы динамики. Границы применения законов Ньютона. Сила тяжести и вес тела. Вес тела в системе отсчета, движущейся с ускорением. Решение задач в динамике. Несвободное движение тел: движение тел по окружности в вертикальных и горизонтальных плоскостях, движение связанных тел, движение грузов в машине Атвуда, движение по наклонной плоскости без трения. Силы в природе. Фундаментальные взаимодействия. Упругие свойства твердых тел. Закон Гука. Одностороннее растяжение, сжатие, сдвиг. Модули упругости. Силы трения. Сухое трение, трение покоя, трение скольжения, трение качения. Зависимость сил трения от скорости. Вещество и поле. Закон всемирного тяготения. Гравитационная постоянная, ее физический смысл, методы определения. Законы Кеплера. Напряженность поля тяготения. Потенциал поля тяготения. Движение тел в центральном поле тяготения. Космические скорости.
Ньютон Исаак (1643-1727) - английский ученый, один из создателей классической механики. Сформулировал законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, дисперсию света, развил корпускулярную теорию света, разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисление.
Атвуд Джордж (1746-1897) - английский физик и математик. Работы посвящены механике, электричеству и оптике. Сконструировал прибор для
проверки законов падения тел (машина Атвуда). Исследовал свойство устойчивости тел на поверхности воды.
Гук Роберт (1635-1703) - английский физик, автор работ по теории теплоты и упругости, оптике, небесной механике. Усовершенствовал воздушный насос Герике, совместно с Х. Гюйгенсом установил постоянные точки термометра, открыл закон упругости для твердых тел (закон Гука).
Фуко Жан (1819-1868) - французский физик-экспериментатор. Проводил исследования в области механики, оптики, электромагнетизма, изобрел маятник (маятник Фуко), с помощью которого доказал вращение Земли вокруг оси, сконструировал гироскоп, обнаружил нагревание сплошных металлических тел индукционными токами (токи Фуко), разработал метод измерения скорости света с помощью вращающегося зеркала.
Кавендиш Генри (1731-1810) - английский физик и химик. Исследования посвящены механике, молекулярной физике, химии, математической физике. Определил силу гравитационного взаимодействия между двумя небольшими сферами, подтвердив тем самым закон всемирного тяготения. Определил гравитационную постоянную, массу и среднюю плотность Земли.
Кеплер Иоганн (1571-1630) - немецкий ученый, один из основоположников небесной механики. Открыл законы движения планет, на основе которых составил планетные таблицы и заложил основы теории затмений.
Кулон Шарль (1736-1806) - французский физик. Работы лежат в области прикладной механики, электричества и магнетизма. В 1781 сформулировал законы трения, скольжения и качения. Исследовал явления кручения и установил законы упругого кручения.
Амонтон Гильом (1663-1705) - французский физик. Его работы
посвящены механике, молекулярной физике и термометрии. Изобрел
4
гигрометр, нертутный барометр, воздушный термометр. Изучал явление трения и установил законы внешнего трения твердых тел.
Раздел 3. Законы сохранения в механике Закон сохранения импульса для системы материальных точек. Центр масс системы материальных точек. Передача количества движения одним телом другому. Физические основы космических полетов. Законы движения тел с переменной массой. Уравнение Мещерского, формула Циолковского. Реактивные двигатели. Энергия как количественная мера движения материи. Работа силы, мощность. Кинетическая энергия и ее связь с работой внешних сил. Потенциальная энергия деформации. Потенциальные поля. Консервативные силы. Закон сохранения энергии. Применение законов сохранения к взаимодействию тел. Момент силы и момент импульса. Закон сохранения момента импульса. Момент инерции твердого тела. Условия равновесия. Вычисление моментов инерции.
Декарт Рене (1596-1650) - французский математик, философ, физик и физиолог. Физические исследования относятся, в основном, к механике, оптике и строению Вселенной. Ввел понятие «количества движения» (импульса), дал первую формулировку закона сохранения количества движения, исследовал удар двух тел, четко сформулировал закон инерции.
Мещерский Иван Всеволодович (1859-1935) - русский ученый в области теоретической и прикладной механики, основоположник механики тел переменной массы. Установил и исследовал общее уравнение движения точки с изменяющейся массой в процессе одновременного присоединения и отделения материальных частиц (уравнение Мещерского).
Циолковский Константин Эдуардович (1857-1935) - русский ученый и изобретатель в области аэродинамики и ракетодинамики, теории движения самолета и дирижабля, основоположник современной космонавтики, автор «космической философии» - основы отечественного космизма.
Жуковский Николай Егорович (1847-1921) - русский ученый, основоположник современной аэродинамики. Труды посвящены теории авиации, исследованиям по механике твердого тела, астрономии, математике, гидродинамике и гидравлике, прикладной механике, теории регулирования машин и механизмов.
Раздел 4. Статика и динамика твердого тела Твердое тело как система материальных точек. Абсолютно твердое тело. Поступательное и вращательное движение абсолютно твердого тела. Мгновенные оси вращения. Понятие о степенях свободы и связях. Кинетическая энергия вращающегося твердого тела. Закон сохранения момента импульса твердого тела и его следствия. Понятие о вращении твердого тела вокруг неподвижной точки. Свободные оси вращения. Гироскоп. Условия равновесия твердого тела. Виды равновесия. Центр тяжести.
Гюйгенс Христиан (1629-1695) - голландский физик, механик, математик и астроном. Является автором трудов в области механики, оптики и молекулярной физики. Сконструировал первые маятниковые часы со спусковым механизмом, решил задачу об определении центра колебаний физического маятника и его периода, установил законы, определяющие центростремительную силу, вывел законы столкновения упругих тел, установил законы сохранения количества движения (импульса) и «живых» сил. Близко подошел к открытию закона всемирного тяготения.
Пуассон Симеон (1781-1840) - французский механик, физик и математик. Исследования в области физики относятся к электричеству и магнетизму, гидромеханике, теории упругости и теории колебаний. Является одним из основоположников теории упругости. В 1810г. ввел понятие «коэффициента Пуассона», характеризующего материал упругого тела, как отношение продольного растяжения к поперечному сжатию. Обобщил
уравнение теории упругости для анизотропных тел.
6
Раздел 5. Механические колебания и волны
Гармонические колебания. Энергия колеблющегося тела. Физический, математический, пружинный маятники. Затухающие колебания. Декремент, добротность колебательной системы. Вынужденные колебания: явление резонанса. Резонанс в природе, технике. Распространение импульса в сплошной среде. Продольные и поперечные волны. Волновое уравнение. Энергия бегущей волны. Вектор Умова и его физический смысл. Интерференция волн, когерентность. Принцип Гюйгенса. Эффект Доплера. Объективные и физиологические характеристики звука.
Лиссажу Жюль (1822-1880) - французский физик, являющийся автором работ в области акустики и оптики. Занимался изучением колебаний тонких пластин и процессов распространения волн. Разработал оптический метод исследования сложения колебаний при помощи «фигур Лиссажу».
Юнг Томас (1773-1829) - английский ученый, один из создателей волновой оптики, автор работ по оптике, акустике, теплоте и механике. В теории упругости занимался исследованиями деформации сдвига. В 1807г. ввел характеристику упругости -модуль растяжения (модуль Юнга).
Умов Николай Алексеевич (1846-1915) - русский физик, автор работ по теории колебательных процессов, электричеству, оптике, земному магнетизму и молекулярной физике. Результат теоретических исследований - создание учения о движении энергии, где впервые ввел понятия о скорости и направлении движения энергии, потоке энергии и плотности энергии в данной точке среды, пространственной локализации потока энергии.
Доплер Христиан (1803-1853) - австрийский физик и математик. Физические работы относятся к акустике и оптике. Провел в 1842г. теоретическое обоснование зависимости частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемой наблюдателем, от скорости движения наблюдателя и источника колебаний (эффект Доплера).
Раздел 6. Элементы теории относительности
7
Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Относительность длин отрезков. Относительность промежутков времени. Преобразование скоростей.
Эйнштейн Альберт (1879-1955) - выдающийся физик-теоретик, один из создателей современной физики, создатель специальной и общей теории относительности, открыл закон взаимосвязи массы и энергии, один из создателей квантовой теории.
Максвелл Джеймс (1831-1879) - английский физик. Работы относятся к электродинамике, молекулярной физике, оптике, механике и теории упругости. В 1860-е годы создал теорию электромагнитного поля, сформулировав ее в виде системы уравнений (уравнения Максвелла), которые выразили все основные закономерности электромагнитных явлений.
Майкельсон Альберт (1852-1931) - американский физик. Исследования относятся к области оптики и спектроскопии. Изобрел интерферометр (интерферометр Майкельсона), сыгравший значительную роль в обосновании специальной теории относительности, осуществил серию экспериментов по точному определению скорости света.
Пуанкаре Анри (1854-1912) - французский физик и математик. Работы посвящены теории относительности, термодинамике, электричеству, оптике, теории упругости, молекулярной физике. Независимо от А.Эйнштейна заложил основы специальной теории относительности, сформулировал первый вариант релятивистской теории гравитации.
Минковский Герман (1864-1909) - немецкий математик и физик. Выдвинул идею об объединении трех измерений пространства и времени в единое четырехмерное пространство. Показал, что теория относительности может рассматриваться как геометрия «пространства-времени».
Лоренц Хендрик (1853-1928) - нидерландский физик-теоретик,
создатель классической электронной теории, автор работ в области
электродинамики, статистической механики, оптики, теории излучения,
8
теории металлов, атомной физики. В 1904г. получил формулы, связывающие пространственные координаты и моменты времени одного и того же события в двух различных инерциальных системах отсчета (преобразования Лоренца). Способствовал созданию теории относительности.
Раздел 7. Механика жидкостей и газов
Давление. Закон Паскаля. Гидростатическое давление. Выталкивающая сила. Закон Архимеда. Элементы динамики движущейся жидкости. Динамика реальной жидкости и газа.
Паскаль Блез (1623-1662) - французский физик и математик. Физические исследования относятся к гидростатике (закон Паскаля), сформулировал гидростатический парадокс, установил принцип действия гидравлического пресса, подтвердил существование атмосферного давления и его зависимость от высоты, продемонстрировал упругость воздуха, доказал, что воздух имеет вес.
Архимед (ок. 287-212 до н.э.) - древнегреческий ученый. Разработал основы статики, ввел понятие центра тяжести и момента относительно прямой и плоскости, определил положение центра тяжести многих тел и фигур. Вывел математически законы рычага и сформулировал правило сложения параллельных сил. Заложил основы гидростатики.
Бернулли Даниил (1700-1782) - швейцарский математик и физик. Заложил основы механики жидкостей и ввел понятие работы. Использовал понятие коэффициента полезного действия, не определяя его в явном виде. Получил уравнение идеальной жидкости (уравнение Бернулли). Является одним из создателей теоретической гидродинамики.
Рейнольдс Осборн (1842-1912) - английский физик. Основные исследования посвящены гидродинамике, молекулярной физике, электричеству и магнетизму. Разработал теорию турбулентности, теорию динамического подобия течения вязкой жидкости и теорию смазки.
Прандтль Людвиг (1875-1953) - немецкий механик и физик. Является одним из основателей аэродинамики. Фундаментальные исследования посвящены изучению турбулентности, сверхзвукового истечения и теплопередачи в потоке. Внес определенный вклад в исследования подъемной силы аэродинамического крыла.
Стокс Джорж (1819-1903) - английский физик и математик. Исследования относятся к гидродинамике, спектроскопии, математической физике. Разработал математическую теорию движения вязкой жидкости (уравнение Навье - Стокса).
Магнус Генрих (1802-1870) - немецкий физик и химик, физические исследования в области механики, оптики, молекулярной физики, магнетизма, термоэлектричества. В 1852г. открыл явление возникновения поперечной силы, действующей на тело, вращающееся в набегающем на него потоке газа или жидкости (эффект Магнуса).
Изложение исторических фактов при рассмотрении какой-либо темы не имеет своей целью нагрузить студентов дополнительным и обязательным материалом для запоминания, а всего лишь призывает повысить интерес к физике - одной из древнейших наук, имеющей насыщенную событиями, открытиями и изобретениями историю, способствует расширению кругозора и формированию естественнонаучного мировоззрения.
Предложенный материал может служить в качестве ориентира для поиска более подробной информации с целью расширения знаний по физике и ее истории.
Библиографический список
1. Погожев, С. Э. Начальный этап реализации принципа историзма в лекционном курсе механики / С. Э. Погожев // Современные проблемы и перспективы обучения математике, физике, информатике в школе и вузе :
межвузовский сборник научно-методических работ. - Вологда : ВоГУ, 2019. С. 170-176.
2. Храмов, Ю. А. Физики: биографический справочник / Ю. А. Храмов. - Москва: Наука, 1983. - 400 с.
3. Кудрявцев, В. В. История и методология физики: учеб. пособие для магистров / В. В. Кудрявцев, В. А. Ильин. - М.: Юрайт, 2014. - 579 с.
4. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/История_физики (дата обращения: 24.11.2019). - Текст : электронный.
