В настоящее время становится очевидным, что для учащихся интересно не только то, что физика является основой техники. Оказывается, их в большей мере привлекает освоение методов научного познания и современная естественнонаучная картина мира. Следовательно, при формировании этой картины мира необходимо включать технику как один из ее компонентов, при этом необходимо сосредоточить внимание не на примерах применения различных технических устройств, не на направлениях научно-технического прогресса, а на физических принципах техники.

На протяжении длительного периода развития цивилизации вплоть до середины ХIХ в. основой техники являлись эмпирические (экспериментальные) физические законы. Законы равновесия (статики) твердых тел, жидкостей и твердых тел, помещенных в жидкости, известные еще со времен Архимеда, служили основой создания механизмов, сооружений, кораблестроения.

Эмпирический подход был характерен не только для механики. Паровая машина была создана чисто эмпирически – техника парового двигателя на полвека опередила его теорию. Только на базе опытных законов отражения и преломления света за сотни лет до того, как стало понятно, что такое свет, были заложены теоретические основы оптики, созданы микроскоп и телескоп.

По мере усложнения и техники и физической картины мира повышаются значение и роль фундаментальных физических открытий для развития техники. Особенно это стало ясно в середине ХIХ в., когда фундаментальные открытия Эрстеда, Ампера привели к созданию электрических двигателей, а открытие Фарадеем электромагнитной индукции позволило создать индукционный генератор. Появились линии дальней проводной электросвязи: трансатлантический кабель между Европой и Америкой (1866 г.), индоевропейский телеграф между Лондоном и Калькуттой (1869 г.).

Именно в это время впервые в истории создалась ситуация, при которой отсутствие фундаментальной теории начало сдерживать развитие техники.

В 1873 г. Дж. Максвелл создал теорию, из которой следовало существование электромагнитного поля, которое может распространяться свободно, без проводов со скоростью   3×10⁸ м/с. В 1888 г. Г. Герц обнаружил такое поле на опыте, и, начиная с работ А. Попова, родилась эпоха радиосвязи и телевидения.

Не только научный эксперимент, но практические следствия фундаментальных физических теорий становятся критерием их истинности.

В современный период важнейшие достижения техники – следствие фундаментальных научных открытий. Чисто эмпирическим путем уже невозможно создавать технические средства, подобные ядерным реакторам, лазерам, компьютерам. Предварительным условием их создания является глубокое изучение и познание явлений и процессов, лежащих в основе принципа их действия. Нередко это приводит к новым направлениям фундаментальных исследований естествознания, и в частности физики.

Можно привести немало примеров глубокой связи технических проблем с фундаментальными исследованиями естественных наук.

Другой пример глубокой связи технических проблем с фундаментальными исследованиями естественных наук. Углерод – один из наиболее удивительных и важных в природе элементов. Имея 4 валентные связи, он легко образует полимерные цепочки. Именно это сыграло решающую роль в образовании биологических структур. Пространственное, трехмерное расположение атомов углерода образует решетку алмаза, двумерное слоистое расположение атомов - решетку графита, наконец, одномерные линейные цепочки атомов углерода образуют так называемый карбин.

Впервые карбин был получен в 60-е годы советскими учеными. Он обладает наибольшей прочностью из всех существующих на Земле веществ. Именно из карбиновых нитей изготовляют корпуса твердотопливных ракетных двигателей. При намотке карбиновых нитей на заданную форму они следуют по геодезическом линиям данной поверхности, по тем самым линиям, представления о которых возникли при фундаментальных исследованиях свойств пространства.

Другой 4-х валентный элемент – кремний стал родоначальником новой техники, а затем и технологии. Благодаря именно кремнию удалось создать персональный компьютер. Микроэлектроника встретила новое тысячелетие рекордом – кремниевым чипом с 1 млрд транзисторов.

С одной стороны, микроэлектроника – это техника, с другой – в ее основе лежит фундаментальный раздел физики, так называемая физика твердого тела. Вот почему именно за открытия в области физики были присуждены Нобелевские премии многим ученым, работающим в микроэлектронике, начиная с изобретателей транзисторов (А. Шокли, Д. Бардин, У. Браттейн) и кончая российским физиком Ж. Алферовым.

Основное содержание

Наиболее доступно для учащихся предлагаемый подход может быть раскрыт на материале курса механики. В каждом из его разделов (статика, кинематика, динамика, законы сохранения) можно выделить физические принципы техники, которые использовались не только раньше, но используются и теперь.

Статика возникла в античный период (III в. до н.э.). В это время механика начала развиваться по двум, совершенно различным направлениям. Одно из них связано с изучением общих проблем динамики: время, пространство, сила движение, падение тел. Динамические проблемы возникли и развивались как чисто философские, умозрительные, логические, не имеющие никакого отношения к практической деятельности, никак не связанные с наблюдением, опытом.

Совсем по другому направлению шло развитие статики. Во-первых, огромным стимулом для исследования равновесия была техника сооружений, военная техника. Действительно, простейшие механизмы (рычаг, наклонная плоскость, клин) были известны еще в древнем Египте и Вавилоне (3000 лет до н.э.). Об этом свидетельствуют колоссальные сооружения тех времен.

Развитие военной техники, строительства уже требовали анализа принципа действия этих простых и новых механизмов. Эту теоретическую работу проделали в III–II вв. до н.э. Архимед и Герон. Теоретические расчеты проверялись на опытах.

Использование эксперимента, опыта в качестве способа проверки результатов – второе отличие развития статики от исследования динамических проблем. Исследования Архимеда вызваны были также необходимостью повысить точность весов – уникального, самого древнего и важного до сих пор средства измерения. Именно в статике зародились элементы естественнонаучного способа познания. Это связано главным образом с тем, что при исследовании проблем статики нет необходимости измерять промежутки времени.

Вплоть до XVII в. только законы статики лежали в основе технических механизмов. Многие из них, изготовленные из современных материалов и по современным технологиям, используются и сейчас. Во многом схожи модели крана, собранного на основе принципов, известных со времен Архимеда, и самых современных механизмов. Таким образом, оказывается, что понятия, законы и принципы статики используются и в технике настоящего времени и являются элементами современной естественнонаучной картины мира.

Кинематика (от греческого слова kinhma - состояние движения) изучает движение тел с чисто геометрической стороны. В кинематике материальные тела различаются формой и положением в данной системе отсчета, изучаются пространственные соотношения между телами и изменения этих соотношений, происходящие с течением времени. Силы, обуславливающие эти изменения, не анализируются и не исследуются.

В процессе исторического развития кинематические методы впервые использовались в астрономии. Например, Птолемей во II в. до н.э. в своем знаменитом труде «Альмагест» создал геоцентрическую система мира (geo - Земля), которая была построена на геометрическом подходе к анализу движений небесных тел. Ее использовали примерно 15 веков.

Развитие техники, машиностроения привело в XIX в. к возникновению целого ряда прикладных проблем, касающихся механизмов и машин, в которых изучение движения с чисто геометрической стороны стало очень важным. И это не только сохранилось, но и усилилось в настоящее время. Кинематические методы используются при проведении летных испытаний самолетов, ракет, при конструировании самых современных устройств. Геометрический подход к анализу движений позволяет определить ускорение движения, а следовательно, оценить, в соответствии со вторым законом Ньютона, и действующие силы.

Лагранж, один из основателей аналитической механики, назвал кинематику «геометрией четырех измерений», имея в виду три пространственные координаты (x , y , z) и четвертую координату – время t. Обратим внимание на то, что в этой координате t и кроется отличие между движением в физике и геометрии. При изучении движения в геометрии время не имеет значения.

В современной естественнонаучной картине мира после создания А. Эйнштейном общей теории относительности (1917 г.) стало ясно, что связь между физикой и геометрией оказывается более глубокой, чем только кинематическая - геометрические свойства пространства зависят от движущихся тел.

Динамика, изучает причины различных движений. Ее развитие началось с исследований Г.Галилея (1564-1642). Именно он впервые в истории физики от проблем статики и кинематики перешел к проблемам динамики. Прежде всего он выяснил, что равномерное прямолинейное движение не требует для своего поддержания каких-либо сил. Далее, исследуя свободное падение, Галилей на опыте изучил, как же происходит движение под действием постоянной силы. Это была первая в истории естествознания динамическая проблема. Ученый установил, что пути, проходимые свободно падающим из состояния покоя телом, относятся как ряд нечетных чисел. Из кинематики нам известно, что это – признак равноускоренного движения. Итак, Галилей выяснил, что сила не является причиной движения – она является причиной изменения скорости движения, т.е. ускорения.

Галилей проводил исследования динамических проблем в условиях, когда еще не были определены основные понятия механики – скорость и ускорение; не было способов исследования таких быстрых движений, как свободное падение. В этих условиях Галилей разработал основы естественнонаучного исследования, который используется до сих пор: и сейчас ученые, исследующие новое, оказываются в таких же условиях, что и Галилей - в новой области еще нет соответствующих понятий и надо создавать новые средства и приборы для проведения измерений.

Следующий, решающий, этап в развитии динамики и всей механики связан с именем И. Ньютона (1643-1727). В своей гениальной книге «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) он сформулировал три закона динамики и закон всемирного тяготения; впервые разработал подход к построению теории. Ньютон объяснил, как надо поступать, чтобы теория обладала стройностью и ясностью. Необходимо вывести из явлений (основание теории) два или три общих принципа (ядро) и затем изложить, какие из этих общих принципов вытекают свойства движений. Именно таким образом ему удалось открыть закон всемирного тяготения.

Ньютон вместе с Лейбницем (1646-1716) явились основателем математического анализа (с основами которого учащиеся знакомятся в курсе математики). В полной мере этот аппарат применили в механике великие математики Эйлер (1707-1783) и Лагранж (1736-1813). Ими была создана аналитическая механика (один из ее принципов – принцип возможных перемещений – учащиеся изучают в статике). Книга Лагранжа «Аналитическая механика» вышла в 1788 г. Именно аналитические методы позволили рассмотреть не только сложные проблемы движения материальной точки, но и движение твердого тела.

В конце XIX в. началась интенсивная разработка нового раздела динамики, посвященного движению тел, масса которых изменяется с течением времени. Основные результаты в этом направлении были получены профессором Петербургского политехнического института И.В. Мещерским (1859-1935).

ХХ век ознаменовался новым этапом развития механики, связанный с именем А.Эйнштейна (1879-1955), который создал знаменитые специальную и общую теории относительности. В специальной теории он рассмотрел движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света. В общей теории Эйнштейну удалось построить новую теорию тяготения. Интересно, что при построении обеих теорий им использовались открытия Галилея. Один из принципов специальной теории относительности – это принцип относительности, открытый Галилеем. Одна из исходных идей общей теории относительности следует из экспериментального факта, открытого Галилеем: ускорения свободного падения одинаковы для любых (разных) тел.

Вплоть до XVIII в. в технике применялись статические и кинематические методы и при этом труд ученых-механиков практически не оказывал влияния на развитие техники. В XVIII в. разделение труда между теорией и практикой сохранилось. Однако в связи с развитием динамики взаимоотношение между прикладной и теоретической механикой начинает изменяться. Именно в XVIII в. произошел первый в истории развития техники случай, когда для решения практических проблем обратились к ученым. В 1742 г. купол Собора св. Павла в Риме дал трещину. Анализ проблемы поручили одному из ведущих римских механиков Жакье и хорватскому физику Бошковичу. После осмотра купола и выяснения причин повреждений было изучено распределение сил в конструкциях купола с помощью применения принципа возможных перемещений к созданной ими динамической модели купола с трещинами: купол был представлен в виде твердых тел, которые могут двигаться относительно трещин.

В связи с первой промышленной революцией, начавшейся в Англии в середине XVIII в., статический и кинематический анализы машин и механизмов не позволяли уже решать все возникающие проблемы. Промышленная революция началась с изобретения в 1735 г. первой технологической машины – прядильной, которая уже заменяла не просто физический труд человека, а его профессиональные умения. Однако эта машина приводилась в действие с помощью животного. Необходим был другой источник движения – двигатель. Универсальный для того момента истории техники двигатель удалось изобрести Дж. Уатту, который через 30 лет после создания прядильной машины получил ряд патентов на устройства, позволяющие «преобразовать» паровую машину в двигатель.

Изобретения Уатта были основаны на кинематических методах. Он впервые применил кривошипно-шатунный механизм для преобразования поступательного движения поршня во вращательное. Затем он применил этот механизм для обратного преобразования движений и придумал способ автоматической подачи пара попеременно то с одной, то с другой стороны поршня. Далее Уатт использовал редуктор для увеличения числа оборотов в 2 раза.

Увеличение числа оборотов массивного маховика привело к необходимости решения сложных динамических проблем. Чтобы паровая машина использовалась в качестве двигателя, ее маховик должен вращаться равномерно, однако неравномерная подача пара в цилиндр и непостоянство его давления не могли этого обеспечить. Так в технике возникла динамическая проблема ускоренного вращения твердого тела. В теории же несколько ранее начал исследовать эту проблему Эйлер.

Между тем Уатт для ее решения сделал выдающееся изобретение: он придумал первый в истории техники автомат. Это был динамический регулятор числа оборотов вала его машины.

Итак, в XVIII в. наметилась тенденция сближения механики как теории и техники. Эта тенденция усилилась в XIХ в. Механика как теория уже становится основой для создания машин, а XIХ век получил название века машин. Изобретение, создание, конструирование их уже опиралось на законы Ньютона, аналитическую механику Эйлера-Лагранжа. Тем самым подтверждались исходные принципы, постулаты, начала теории – практика становится критерием истины.

Законы сохранения. Детальное рассмотрение поведения системы с помощью законов динамики часто бывает настолько затруднительно, что довести решение до конца оказывается прак­тически невозможным или вообще неосуществимым.

Представим, например, что исследуется движение автомобиля, поливающего водой улицу, или поезда, с которого разбрасывается гравий при строительстве железной дороги, или движение ракеты, выбрасывающей струю газа. Во всех этих случаях масса движущихся тел изменяется, поэтому возникают сложности с использованием второго закона динамики.

Часто встречаются важные в научном и техническом отношении проблемы, когда законы сил вообще неизвестны. Именно тогда динамический подход просто неосуществим. Для примера можно привести взрывы - выделение большого количества энергии за короткое время в ограниченном объеме.

Перечисленные и многие другие проблемы решаются на основе принципов (законов) сохранения.

При движении системы ее сос­тояние изменяется со временем. Существуют, однако, такие величины, которые облада­ют весьма важным и замечательным свойством сохранять­ся. Среди этих сохраняющихся величин наиболее важную роль играют энергия и импульс. Законы сохранения этих величин имеют, как выяснилось впоследствии, весьма глубокое происхождение, связанное с основными свойствами вре­мени и пространства - однородностью и изотропностью.

Законы сохранения энергии и импульса относятся к числу тех наиболее фундаменталь­ных принципов физики, значение которых трудно пере­оценить. Роль этих законов особенно возросла после то­го, как выяснилось, что они далеко выходят за рамки механики и представляют собой универсальные законы природы. Во всяком случае, до сих пор не обнаружено ни одного явления, где бы эти законы нарушались. Они являются одними из тех немно­гих наиболее общих законов, которые лежат в основе сов­ременной физики.

К открытию закона сохранения импульса Декарт (1596-1650) пришел независимо от Ньютона на основе экспериментального исследования удара. Сам же Ньютон считал его простым следствием законов динамики. При этом прикладные и технические проблемы не имели для них какого-либо значения.

Ученым было ясно, что во вращательном движении твердых тел также таится какая-то сохраняющаяся величина. Это следовало из того, например, что планеты, спутники, звезды вращаются миллиарды лет без всякого внешнего воздействия. Однако вплоть до XVIII в. эти проблемы не являлись предметом специальных исследований.

В первой половине XVIII в. Эйлер и Д.Бернулли ввели понятие момента импульса L. Название связано с тем, что для обращающейся вокруг центра материальной точки эта величина равна произведению импульса р = mu на расстояние до центра r , т.е. L = mur . Эйлер опубликовал свой результат в курсе механики в 1736 г., а Д.Бернулли - в 1746 г. в трудах Берлинской Академии Наук. Они доказали, что момент импульса обладает свойством сохранения. Широкое применение технических приложений закона сохранения момента импульса было найдено в ХХ в.

В открытии закона сохранения энергии тесно переплелись и проблемы, имеющие чисто научное, теоретическое происхождение, и проблемы, возникшие при решении практических задач. В качестве примера первой проблемы можно привести трудности «задачи шаров». Опыт показывал, что при упругом ударе двух шаров сохраняется и импульс (m_{1 1} + m_{2 2}) и кинетическая энергия (  + ), а при неупругом – только импульс.

Практическое «происхождение» имело такое основание закона сохранения энергии, как «принцип невозможности вечного двигателя».

В древности мы не встречаем каких-либо попыток создать подобную машину. По-видимому, идея вечно­го двигателя тогда не являлась актуальной пробле­мой, поскольку огромная армия рабов давала почти даровую рабочую силу, что вполне удовлетворяло ну­жды общества того времени.

Первые проекты вечного двигателя относятся к периоду раннего средневековья, к XIII в. В последующие столетия, особенно в период между XIII и XVII вв., было предложено огромное количе­ство проектов вечного двигателя, основанных на при­менении различных физических явлений и законов.

В XVIII в. число проектов значительно сократилось. По-видимому, многие изобретатели поняли тщетность своих попыток и отказались от них. И все же проек­тов поступало еще достаточно много. На их рассмот­рение научные учреждения того времени вынуждены были отвлекать значительное число ученых, посколь­ку авторы проектов требовали их подробного разбора и заключения. В конце концов, одно из наиболее авто­ритетных учреждений - Парижская Академия наук - в 1755 г. объявило, что заявления о вечном двигателе, квадратуре круга и философском камне к рассмотре­нию приниматься не будут. После этого знаменитого решения Французской Академии наук понадобилось еще 50 лет, пока в середине XIX в. не был установлен закон сохранения энергии.

Самые современные технические идеи, технологии основаны на использовании законов сохранения: это и освоение космического пространства с помощью ракет, и подъем атомной подводной лодки «Курск», и мощные турбины.

Методические рекомендации

Предлагаемый для изучения учебный материал весьма тесно связан с содержанием курса механики основной школы. Поэтому перед учителем прежде всего стоит задача актуализировать знания, полученные учащимися при изучении этого курса, а также создать условия для их обобщения и более глубоко осмысления на основе вновь изучаемых вопросов. Для решения этой задачи учитель может задействовать широкий спектр традиционных для курса физики методических приемов – демонстрация видеофильмов о классических опытах, различных технических устройствах (созданных в прошлые века и современных), макетов машин и механизмов, а также их отдельных частей, доклады учащихся о жизни и деятельности выдающих ученых-физиков и инженеров, решение задач с техническим содержанием.

Исходя из содержания предлагаемого материала и оборудования, имеющегося в кабинете физики, учитель имеет возможность отобрать и поставить необходимые опыты. Подготовку и демонстрацию некоторых опытов можно поручить наиболее интересующимся учащимся.

Литература

Книги

- Глухов Н.Д.. и др. Беседы о физике и техник. – М.: Высшая школа, 1990.

- Иванов А.С., Проказа А.Т. Мир механики и техники. – М.: Просвещение, 1993.

- Стрюковский В.И. История и логика развития научно-технической деятельности. – М.: Мысль, 1995.

- Советские инженеры. – М.: Молодая гвардия, 1985 (серия «Жизнь замечательных людей»).

- Соурц К.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений», тт. 1 и 2. – М.: Наука, 1986.

Статьи в журналах

«Популярная механика», «Что нового в науке и технике», «Ломоносов».

Свет – что же это – волна или частицы?

Введение

  Оптике – учению о свете – отводится особое место в физическом образовании. Причин тому множество, главная же состоит в том, что оптика играла и играет решающую роль в познании, в современной физике и технике. Изучение различных оптических явлений привело к основополагающим методологическим выводам о материальности света, о выполнении закона сохранения энергии во всех оптических явлениях, о взаимосвязи массы и энергии, зависимости свойств излучения от его количественных характеристик, о диалектическом единстве противоположных свойств света.

  Оптика в своей основе близка к новой физике, т.к. изучает объект (свет), обладающий ультрарелятивистской скоростью. Отдельные экспериментальные факты, полученные при исследовании свойств света, такие как, например: постоянство скорости света в вакууме, дискретный характер испускания и поглощения света атомами – легли в основу соответственно теории относительности, квантовой оптики и квантовой механики. Развиваясь, оптика способствовала созданию таких областей физики, как электродинамика, атомная и ядерная физика.

   Прикладное значение оптики тоже велико: инструментальная и проекционная оптика используется в научных исследованиях, медицине, технике и культуре – оптика широко вошла в нашу жизнь. Иначе, наверное, и не могло бы быть, т.к. мы живем в мире света. Посредством зрения мы получаем большую часть информации извне (порядка 80-90%). Именно с помощью света мы можем различать цвета и предметы, видеть их тени и отражения. Свет имеет для человека такое большое значение, что не удивителен тот факт, что изучать свет люди начали на заре человечества. До нас дошли сведения, что Евклид в Ш веке до н.э. уже знал законы отражения света от плоской поверхности, а Птолемей во П веке исследовал преломление света.