1-й семестр

ВСТУПЛЕНИЕ

· Зарождение и развитие физики как науки

· Роль физических знаний в жизни человека

· Методы научного познания

· Измерения. Погрешности измерений

· Математика - язык физики

Тематическое планирование

Урок 1/1

Тема. Зарождение и развитие физики как науки. Методы научного познания

Цель урока: дать учащимся представление о зарождение и развитие физики как науки, а также о методах научного познания

Тип урока: изучение нового материала

План урока

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Периоды развития знаний на разных этапах эволюции человечества

а) Первобытное общество

Человек получал знания об окружающем мире в суровой борьбе за существование. В этой борьбе отделились от животного мира ее далекие предки, развились ее моторика и интеллект. От случайных и неосознанных действий с палками и камнями для защиты и добывания пищи она (человек) эволюционировала к изготовлению орудий. Сначала это были грубо и примитивно обработанные куски камня. Затем орудия приобретало более совершенных форм: лук и стрелы, рыболовные снасти, охотничьи ловушки - первые программируемые устройства. Крупнейшим завоеванием человека было изобретение и использование огня. В этой эволюции, которая длилась тысячи лет, формировалось сознание человека, развивалась речь, накапливались знания и представления о мире, возникали первые антропоморфные объяснения окружающих явлений, остатки которых сохранились и в нашем языке. Как и у первобытного человека, у нас солнце «ходит», месяц «смотрит» и т. п. Другого способа понять природу, кроме как уподобление ее к себе (живого существа), наделение ее чувством и сознанием, у первобытного человека не было. Именно это и стало источником развития и научных знаний и религиозных представлений. Наряду с этими фантастическими представлениями о природе человек обогащалась реальными знаниями о небесные светила, растения и животные, о движении и силы, метеорологические явления и т. п. Накопленные знания и практические навыки, передаваясь от поколения к поколению, образовывали первоначальный фон будущей науки. В процессе развития общества и общественного труда накапливались предпосылки для создания устойчивой цивилизации.

б) Древние цивилизации Египта и Китая

Пирамиды Египта, которые сохранились до наших дней, свидетельствуют о том, что уже в III тысячелетии до н. э. государство могло организовать большие массы людей, вести учет материалов, рабочей силы, затраченной труда, для чего нужны были специальные люди - работники умственного труда. Хозяйственные записи в Египте вели писцы, которым принадлежит заслуга в фиксировании научных знаний своего времени. Известные памятники II тысячелетия - папирус Ринд, что хранится в Британском музее, и Московский папирус - содержат решения различных задач, встречающихся в практике математических вычислений, вычислений площади и объемов. В Московском папирусе выведена формула для вычисления объема усеченной пирамиды. Площадь круга египтяне вычисляли, возвышая в квадрат восемь девятых диаметра, что давало очень точное приближенное значение - 3,14.

Определение времени начала разлива Нила требовало тщательных астрономических наблюдений. Египтяне разработали календарь, состоящий из двенадцати месяцев по 30 дней и пяти дополнительных дней в году. Месяц был разделен на три десятидневки, сутки - двадцать четыре часа двенадцать дневных и двенадцать ночных. Поскольку продолжительность дня и ночи менялась в течение года, час была не постоянной, а менялась в соответствии со временем года.

Наиболее древним периодом китайской цивилизации считается эпоха существования первого государства Шан-Инь, рабовладельческой страны в долине реки Хуанхэ. Искусство бронзового литья позволяло изготавливать различные сосуды, украшенные сложными изображениями.

Уже в эпоху Шан была открыта ідеографічну письменность, которая путем долгого усовершенствования превратилась в ієрогліфічну каллиграфию, был составлен лунный календарь.

Ранняя императорская эпоха Древнего Китая сделала вклад в развитие мировой культуры и цивилизации такими открытиями, как компас, спидометр и сейсмограф. Впоследствии было изобретено книгопечатание и порох. Именно в Китае в области письменности и книгопечатания было создано бумагу и подвижный шрифт, а в военной технике - пушки и стремена; было также изобретено механический часы и усовершенствована искусство шелкоткачества.

Древние китайцы были образованными астрономами, именно они составили одну из первых в мире звездную карту.

Китайская медицина на протяжении трехтысячелетней истории достигла значительных результатов. В Древнем Китае впервые была написана «Фармакология», впервые стали проводить хирургические операции с применением наркотических средств, впервые применили и описали в литературе методы лечения иглоукалыванием, прижиганием и массажем.

в) Физика и астрономия в Древней Греции

Несмотря на огромные заслуги Древнего Востока перед наукой, подлинной родиной современной науки является Древняя Греция. Именно здесь возникла теоретическая наука, которая создала научные представления о мире, которые не сводятся лишь к практических рецептов; именно здесь развивался научный метод.

Если египетский или вавилонский писец, формулируя правило вычисления, писал: «делай так», не объясняя, почему следует «делать так», то греческий ученый требовал доказательств. Основатель атомистики Демокрит высказался по этому поводу так: «Нахождение одного научного доказательства для меня значит больше, чем овладение всем Персидским Царством».

Современная наука хорошо запомнила, кому она обязана своим рождением. Об этом свидетельствуют названия наук: математика, механика, физика, биология, география и др.; научные термины греческого происхождения (масса, атом, электрон, изотоп т.п.); употребление греческих букв в формулах и, в конце концов, имена греческих ученых: Фалеса, Пифагора, Демокрита, Аристотеля, Архимеда, Евклида, Птолемея и других, сохранились в научной литературе.

2. Начало новой эры в физике

В середине XV в. Европа меняет направления развития в экономической, политической и культурной сферах. Строительство городов, отделение ремесленного (промышленного) производства от сельского хозяйства - все это стало толчком к разрушению натурального хозяйства, активного развития торговли, рост значения денег, появления новых общественных сил: купцы, банкиры, состоятельные ремесленники (буржуазия). Заинтересована в повышении производительности труда, буржуазия поощряла технические и организационные усовершенствования производства. Появились первые мануфактуры, начали развиваться промышленность и торговля.

Леонардо да Винчи является предшественником Галилея, Декарта, Кеплера, Ньютона и других основоположников современного естествознания. Он одним из первых провозгласил основы нового метода и начал применять его при решении конкретных задач, в частности при изучении движения. Леонардо писал: «всякое движение стремится к своему сохранению, иначе говоря, любое тело, которое движется, движется всегда, пока в нем сохраняется сила его двигателя».

Великий художник эпохи Возрождения Леонардо да Винчи хорошо понимал, что наука должна основываться на опыте и математическом расчете, и сам проводил эксперименты, результаты которых опережали более поздние выводы Галилея.

Опыты Галилея, собственно говоря, стали настоящим началом экспериментальной науки. Галилей изучал падение тел в лабораторных условиях, на наклонной плоскости, на маятнике; искал точное количественное соотношение между скоростью и временем падения, пройденным путем и временем падения и тому подобное. Результаты этих опытов и их теоретический анализ стали основой механики, сделав бессмертным имя Галилея как основателя нового естествознания. Работы Галилея по механике, астрономии, сопротивления материалов, акустики, оптики складываются в единое целое, подчиняются общей цели - утверждению новой науки и нового мировоззрения.

Достигнуты опытным естествознанием результаты были завершены в работах великого английского ученого Исаака Ньютона. Важнейшим научным достижением Ньютона было создание теории движения планет и связанное с этим открытие закона всемирного тяготения, положенного в основу физического обоснования гелиоцентрической системы. Три закона Ньютона завершают труды Галилея, Декарта, Гюйгенса и других ученых, которые работали над созданием классической механики, готовя прочную основу для плодотворного ее развития.

В то же время Ньютон доказал, что белый цвет является смесью семи цветов. Ученый исследовал также явление дифракции, довольно точно описав радужные полосы на внешних границах тени волоса.

Следующий важный этап в развитии физики связан с учением о электрические и магнитные явления. В формировании современной науки эти явления активное участие приняли: Шарль Кулон, Ганс Христиан Эрстед, Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл.

Начиная с XVIII в. очень бурно развивающаяся область физики, связанная с тепловыми явлениями. Два события повлияли на развитие учения об электричестве: первая - это изобретение Ваттом тепловой машины, а второе событие связано с работами инженера и физика Сади Карно.

3. Две революции в физике XX столетия

Начало XX в. ознаменовалось двумя революциями в физике. Одна из них связана с движением с большими скоростями. Стимулом для этой революции послужили эксперименты Майкельсона по измерению скорости света. Основной вклад в эту революцию сделали Эйнштейн, Лоренц и Пуанкаре. В результате в 1906-1910 гг. было создано специальную теорию относительности.

Вторая революция связана с движением частиц малой массы (электронов, протонов, нейтронов, атомов). Эта революция была совершена в период с 1900 по 1930 гг. Она стала результатом усилий многих физиков, среди которых были Планк, Бор, Шредингер, Гейзенберг, Дирак, Борн, Паули.

Такие научные революции стали базой для реализации целого ряда физических открытий. Особенность XX в. заключается в том, что буквально за несколько лет эти открытия получили широкого применения.

Так, в 1896 г. русский физик Александр Степанович Попов продемонстрировал первый радиоприемник, открывший возможность практического использования электромагнитных волн с целью беспроводной связи. Именно с помощью электромагнитных волн работают радио и телевидение, а также Интернет.

В 1947 г. американские физики Шокли, Бардин, Браттейн открыли транзистор, который стал основным элементом всех радиоприборов и интегральных схем.

Открытие лазерного излучения, сделанное Басовым, Прохоровым и Таунсом, применяются в современной технике и медицине.

В 1896 г. Беккерель открыл радиоактивность Урана, а в 1938 г. Ганн и Штрассман открыли деление ядер Урана сопровождается выделением огромной энергии. И вскоре, в 1942 p., Ферми запустил в эксплуатацию первый ядерный реактор. В СССР реактор такого типа заработал под руководством Курчатова в 1946 г. Сейчас в мире эксплуатируется более 400 реакторов, которые производят около 6 % мировой электроэнергии.

4. Теория и эксперимент

Процесс познания окружающего мира является неотъемлемой особенностью всех живых существ. Особое место в процессе познания занимает человек, который научился не только эффективно приобретать новые знания и использовать их, но и накапливать знания для передачи следующим поколениям. Существует два основные методы физических исследований: теоретический и экспериментальный.

Физическое исследование - это целенаправленное изучение того или иного явления способами физики. Первым этапом физического исследования являются наблюдение - восприятие природы с целью получения исходных данных для дальнейшего анализа. Если результаты наблюдений повторяются, наблюдатель природы делает вывод. Однако не всегда наблюдения дают правильный результат. Конечно, в основе всех наук лежит наблюдение, однако в 16-м веке физика выделилась среди других наук тем, что перешла от пассивного наблюдения к эксперименту. В отличие от наблюдения, в эксперименте исследуемый объект находится в контролируемых условиях и подлежат активному воздействию, что значительно увеличивает возможность его исследования. Эксперимент - это исследование физического явления в условиях, которые находятся под контролем ученого, с целью более углубленного изучения этого явления. Все эксперименты можно условно разделить на качественные и количественные. Простейший эксперимент - качественный, в котором устанавливается наличие или отсутствие предполагаемого теорией явления. Количественное сравнение характеристик называется измерением. Все эксперименты можно разделить и по объектам, с которыми эксперимент выполняется: натурный, модельный, мысленный и компьютерный.

5. Физические величины. Измерения физических величин

Физика выделяется систематическим использованием (для описания объектов, которые изучаются) таких характеристик, допускающих количественное выражение. Именно эти характеристики называются физическими величинами.

Ø Физическая величина - это количественная характеристика объекта или явления в физике, либо результат измерения.

Путь, время, масса, плотность, сила, температура, давление, напряжение - это далеко не все примеры физических величин. Измерить какую-нибудь величину - это значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.

Существует всего семь основных единиц физических величин: метр, секунда, килограмм, кельвин, ампер, кандела, моль, а все остальные можно изобрести из них.

Для того чтобы измерить физическую величину, нужно уметь пользоваться измерительными приборами. Устройства, с помощью которых измеряют физические величины, называют измерительными приборами. Измерения одной и той же физической величины, как правило, можно сделать по-разному, используя для этого различные приборы. Измерения разделяют на прямые и косвенные. Во время прямых измерений величину сравнивают с единицей измерения непосредственно или при помощи измерительного прибора, проградуйованого в соответствующих единицах.

В случае косвенных измерений искомую величину вычисляют по результатам прямых измерений других величин, которые связаны с измеряемой величиной определенной функциональной зависимости.

Например, для нахождения скорости мы измеряем расстояние, пройденное телом, и время, за которое это расстояние было пройдено. После этого находим скорость путем деления пути на время.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Назовите имена известных вам ученых-физиков. В какой области физики они работали?

2. Приведите примеры использования знаний физики для создания предметов быта, окружающих вас.

3. Для создания каких-либо технических устройств были использованы физические открытия?

4. Назовите основные методы физических исследований.

5. Приведите примеры физических моделей.

6. Какова роль эксперимента в познании? Объясните на примере.

7. Почему эксперимент является критерием правильности физической теории?

8. Что значит «измерить физическую величину»?

Что мы узнали на уроке

• Современную физику создавало много поколений ученых. Это были самые разные люди: богатые и бедные, высокие и простолюдины. Кому-то из них открытия принесли славу и признание еще при жизни, а кто-то так и ушел из жизни, не увидев, как будущие поколения используют их труды и открытия. Некоторые до конца жизни верил, что открытые им законы принесут пользу людям, а кто-то был горько разочарован. Однако всех их объединяли и объединяют с современными учеными интерес, жажда знаний, необычайное терпение и трудолюбие.

• Физическое исследование - это целенаправленное изучение того или иного явления способами физики.

• Эксперимент - это исследование физического явления в условиях, которые находятся под контролем ученого, с целью углубленного изучения этого явления.

• Физическая величина - это количественная характеристика объекта или явления в физике, либо результат измерения.

• Измерить какую-нибудь величину - это значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.

• Устройства, с помощью которых измеряют физические величины, называют измерительными приборами. Измерения разделяют на прямые и косвенные.

Домашнее задание

1. П.: Введение. §§ 1, 2.

2. 36.:

Р1) - 1.1; 1.2;

р2) - 1.19; 1.20;

р3)-1.31, 1.32; 1.33.