150417 (594548), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В “Досвіді філософії наук” Ампер стверджує, що кінематика повинна бути і частиною теоретичної механіки, прикладною дисципліною, в якій вивчаються різноманітні механізми.
Цікавим є його приклад в обґрунтуванні дидактичної цінності кінематики: “Щоб скласти собі яскраве уявлення про ту зубчатку, за допомогою якої хвилинна стрілка годинника здійснює дванадцять обертів, тоді як годинна лише один, чи потрібно займатися силою, яка приводить годинник в рух? Хіба дія зубчатого зчеплення, так як воно регулює відношення швидкостей цих двох стрілок, не залишається тією ж самою, коли рух викликається якою-небудь силою, що відрізняється від сили звичайного двигуна, наприклад, коли ми повертаємо стрілку пальцем?”
Вперше розділ кінематики був чітко виділений в курсі “Фізичної та експериментальної механіки” генерала Понсле, який читав його в Паризькому університеті з 1837 до 1848 року. Тут розглядалися види рухів, додавання рухів, швидкостей і прискорень і після цього різного типу механізми.
В результаті кінематика виділилася як розділ теоретичної механіки. Але за традицією вона залишилась в курсах фізики як вступна частина до динаміки Ньютона і Ейнштейна.
В кінематиці є два аспекти: теоретичний і прикладний. Змістом першого є формування понять про механічний рух, системи відліку, швидкості, прискорення, правила додавання швидкостей та прискорень. В прикладному аспекті розглядаються механізми, що перетворюють рух.
На ввідних уроках по кінематиці слід виділити головне:
Механічний рух – зміна положення тіла в просторі, і для вивчення цього виду руху матерії першочергову важливість мають поняття системи відліку, траєкторії, суперпозиції (незалежності) рухів.
Необхідно використовувати цей історичний матеріал для підготовки до сприйняття ідеї відносності переміщень і швидкостей.
Слід мати на увазі, що лише в теорії відносності кінематика почала грати самостійну роль. В рамках механіки Ньютона суто кінематичний розгляд руху (без зв’язків із законами динаміки) зустрічає ряд методологічних труднощів. Так, наприклад, збереження горизонтальної компоненти вектора швидкості тіла, кинутого під кутом до горизонту, неможливо без посилання на перший закон Ньютона.
2.2. Відкриття законів вільного падіння
В Стародавній Греції механічні рухи класифікувалися на природні та вимушені. Падіння тіла на землю вважали природнім рухом, деяким властивим тілу прагненням “ до свого місця”.
Відповідно уявленням великого старогрецького філософа Арістотеля (384 – 322 р. р. до н.е.) тіло падає на землю тим швидше, чим більша його маса. Це уявлення було результатом примітивного життєвого досвіду: спостереження показували. Що яблука і листя яблуні падають з різними швидкостями. Поняття прискорення в старогрецькій фізиці було відсутнє.
Вперше виступив проти Аристотеля, утвердженого церквою, великий італійський вчений Галілео Галілей (1564 – 1642) (див. Додаток 8).
Галілей народився 15 лютого 1564 р. в м. Піза, в бідній дворянській сім’ї . Його батько був композитором, теоретиком музики і математиком. До 11 років Галілей відвідував школу, а далі, після переїзду сім’ї до Флоренції, за звичаєм того часу виховання і освіта відбувались в монастирі.
Під приводом важкої хвороби очей батьку вдається забрати Галілея з монастиря і дати йому хорошу домашню освіту, ввести його в коло музикантів, письменників, художників.
Однак незрівнянно більший інтерес викликали в нього математика та фізика. Галілей самостійно вивчив фізику Аристотеля, читав твори Евкліда та Архімеда. Перша наукова праця Галілея - “Маленькі терези” – відноситься до 1586 і присвячена опису винайдення ним гідростатичних терезів, за допомогою яких можна було швидко визначати склад металевих сплавів. Тут же Галілей виклав свої дослідження про центри тяжіння тілесних фігур. Ця праця відразу принесла 22-річному Галілею відомість серед вчених.
В 1589 р. Галілей зайняв кафедру математики в Пізанському університеті, а через три роки виїхав в Падуе, де до 1610 р. був професором відомого Падуанського університету. Свої дійсні наукові погляди Галілей повідомляв лише в листах до друзів, бо не наважувався виступити з ними в умовах церковної реакції.
Падуанський період був найбільш плідним в житті вченого. В Падуе Галілей зробив свої відомі астрономічні відкриття, які переконали його в справедливості геліоцентричної системи Коперніка.
В 1609 р. Галілей вперше в історії науки використав удосконалену ним підзорну трубу – перший телескоп – для вивчення небесних об’єктів.
На початку 1610 р. Галілей відкрив чотири супутники в Юпітера. Ці відкриття викликали різкі напади з боку схоластів та церкви.
Свої астрономічні спостереження він продовжив у Флоренції, куди він переїхав у 1610 р. на запрошення тосканського герцога Казімо ІІ Медичі. Там він був назначений “ придворним філософом” і “першим математиком” університету.
В 1611 р. Галілей, телескоп якого до того часу давав вже збільшення в 32 рази, вперше відкрив западини та узвишшя на поверхні Місяця, спостерігав плями на Сонці. Тоді ж відкрив обертання Сонця, фази Венери і вперше помітив кільце Сатурна.
Флорентійський період в житті Галілея був спочатку спокійним. Однак вже з 1612р. на нього почалися доноси в інквізицію. В 1615 р. Галілей змушений був їхати до Риму для зустрічі з папою і виправдовування своєї діяльності перед церквою.
Лише після 1623 р., коли папою став кардинал Барбенії, який товаришував з Галілеєм і особливо високо оцінював його досягнення, Галілей вирішив, що прийшов час, коли він знову може вільно говорити про свої наукові ідеї. В 1630 р. він друкує свою працю “Діалог про припливи та відливи”. Поява цього твору викликала обурення церкви. На Галілея було зроблено новий донос. В 1633 р. його викликали в Рим і віддали суду інквізиції.
В результаті трьохмісячних погроз та залякувань, після трьох допитів 69-річного вченого примусили привселюдно в одній з церков Рима. стоячи на колінах, прочитати текст відречення від своїх переконань. Галілею заборонили писати будь-що про землю як планету і про Всесвіт.
Астрономічні відкриття Галілея, захист коперніканських поглядів в епоху церковної реакції, його ореол мученика науки – все це затьмарило на час інші галузі діяльності великого мислителя і, зокрема, його праці в області механіки. Хоча механікою Галілей займався з самого початку наукової діяльності. В листі до одного зі своїх друзів він писав, що вважає успіхи в заняттях з механіки найціннішим результатом своїх досліджень за все життя.
Ще в Пізі на поч.. 90-х р. р. в “Діалозі про рух” Галілей виступив проти фізики Аристотеля. В Падуе Галілей пише “Трактат про механіку”, присвячений статиці. В ці ж роки він проводить важливе дослідження простих механізмів і формулює “золоте правило механіки”.
В 1612 р. Галілей у праці “Міркування про тіла, перебувають у воді, і ті, які в ній рухаються” застосував до виведення умов рівноваги в рідких тілах розвинений ним принцип рівних моментів Архімеда.
В 1632 р. він підсумував свої відкриття в області механіки у відомому “Діалозі про дві головні системи світу” – творі, який, окрім свого великого значення в історії астрономії, відіграв не меншу роль і в розвитку механіки.
Ідеї Галілея в області механіки отримали свій подальший розвиток в класичний праці “Бесіди і математичні доведення, що стосуються двох нових галузей науки, що відносяться до механіки і місцевого руху”. Поява “Бесід” свідчила, що розправа інквізиторів над геніальним вченим не зламала його дух. В “Бесідах” Галілей запропонував першу в історії науки теорію маятника, вперше розглянув питання про вплив тертя на рух тіл. Він довів вагомість повітря, встановив ряд основних закономірностей звучання струн. Йому належить винайдення “термоскопа” – першого приладу для порівняння теплоти тіл.
Не дивлячись на те, що Галілей досконало володів загальноприйнятою латинською мовою, його основні роботи написані на рідній італійській мові. Праці Галілея відрізнялися живою, образною мовою і вражали противників влучною та гострою іронією.
В останні роки життя Галілей тяжко хворів, в 1637 р. він осліп. Ала до кінця своїх днів великий мислитель не залишав наукових досліджень. За твердженням Вівіані, Галілей в 1641р. повідомив своїм учням і сину про винайдення маятникового годинника. На жаль, ні син, ні учні не продовжили роботу над цим винаходом. Появою сучасного годинника ми зобов’язані знаменитому голландському фізику Гюйгенсу
Г.Галілей помер 8 січня 1642р. Крім сина та невістки, а також трьох учнів – Кастеллі, Вівіані та Торрічеллі, біля смертного ложе великого перетворювача фізики невідступно знаходилися два представники інквізиції. Навіть після смерті Галілея церква продовжувала переслідувати його. Прах Галілея не дозволили помістити в сімейному склепі. З великими труднощами вдалося отримати дозвіл поховати його в годинникарні біля сусідньої церкви. Лише в 1737р., тобто через 95 років після смерті було виконано останнє бажання Галілея: його останки були перевезені у Флоренцію.
Могила Г. Галілея знаходиться поряд з могилами двох інших великих синів Італії – Мікеланджело і Данте.
Галілей відкинув старогрецьку класифікацію механічних рухів. Він вперше ввів поняття рівномірного та рівноприскореного рухів і почав дослідження механічного руху шляхом вимірювання відстаней та часу руху. Досліди Галілея з рівноприскореним рухом тіла по нахиленій площині і сьогодні повторюються у всіх школах світу.
Особливу увагу Галілей приділив експериментальному дослідженню вільного падіння тіл. Всьому світу відомі його досліди на Пізанській башті. Як засвідчував Вівіані, Галілей кидав з башти одночасно півфунтову кулю і сто фунтову бомбу. Наперекір думці Аристотеля, вони досягали поверхні землі майже одночасно: бомба випередила кулю лише на кілька дюймів. Цю різницю Галілей пояснив наявністю опору повітря. Таке пояснення було принципово новим. Справа в тому, що з часів Стародавньої Греції утвердилось таке уявлення про механізм переміщення тіл: рухаючись, тіло залишає за собою пустоту; природа ж боїться пустоти ( існував помилковий принцип побоювання пустоти). Повітря прямує в пустоту і штовхає тіло. Таким чином, вважалось, що повітря не сповільнює, а, навпаки, прискорює рух тіла.
Далі Галілей відкинув ще одну багатовікову помилку. Вважалось, якщо рух не підтримується якою-небудь дією, то він повинен припинитися, навіть якщо не існує перешкод. Галілей вперше сформулював закон інерції. Він стверджував: якщо на тіло діє сила, то результат її дії не залежить від того знаходиться тіло у спокої чи рухається. У випадку вільного падіння на тіло постійно діє сила тяжіння і результати цієї дії неперервно сумуються, бо відповідно до закону інерції, викликана одноразово дія зберігається. Це уявлення є основою його логічної побудови, яка привела до законів вільного падіння.
Галілей визначив прискорення вільного падіння з великою похибкою. В “Діалозі” він стверджує, що куля падала з висоти 60 метрів протягом 5 секунд. Це відповідає значенню g майже в 2 рази меншого, ніж істинне.
Галілей, звичайно, не міг точно визначити g, оскільки не мав секундоміра. Пісочні, водяні годинники або винайдений ним годинник з маятником не сприяли точному відліку часу. Прискорення вільного падіння було достатньо точно визначене лише в 1660р. Гюйгенсом.
Розповідаючи про роботи Галілея, важливо пояснити учням суть методу, яким він користувався при встановленні законів природи. Спочатку він провів логічну побудову, з якої витікали закони вільного падіння. Але результати логічної побудови потрібно перевірити дослідом. Лише спів падання теорії з дослідом приводить до ствердження справедливості закону. Для цього потрібно вимірювати. У Галілея гармонічно перепліталася потужність теоретичного мислення з експериментальним мистецтвом. Як перевірити закони вільного падіння, якщо рух дуже швидкий і немає пристроїв для вимірювання малих проміжків часу?
Галілей зменшує швидкість падіння застосуванням похилої площини. В дошці було зроблено жолоб, висланий для зменшення тертя пергаментом. По жолобу пускалась відполірована латунна куля. Для точного виміру часу руху Галілей придумав наступне. В дні великої посудини з водою робився отвір, через який витікав тонкий струмінь. Він направлявся в маленьку посудину, яка заздалегідь зважувалася. Проміжок часу вимірювали по приросту ваги посудини! Пускаючи кулю з половини, четверті і т.д. довжини похилої площини, Галілей встановив, що пройдені шляхи відносились як квадрати часу руху.
Повторення цих дослідів Галілея може слугувати предметом корисної роботи на шкільному фізичному гуртку.
2.3. До історії законів динаміки Ньютона
Три закони динаміки, що склали фундамент класичної механіки були сформульовані англійським фізиком Ісааком Ньютоном (1643 – 1727) (див. Додаток 9) в книзі “Математичні початки натуральної філософії” (див. Додаток 7).
І.Ньютон народився 4 січня 1643р. в м. Вулсторт в сімї небагатого фермера. В 12 років його віддали в школу. Спочатку він не відрізнявся успіхами в навчанні, але потім дуже зацікавився математикою. Коли через рік занять внаслідок матеріальної скрути взяли додому, щоб привчити до господарства, Ньютон виявив таку байдужість і нездібність до подібного роду занять, що в 1660 р. його знову повернули до школи. В 1661р. його прийняли в один з коледжів Кембріджського університету. В коледжі Ньютон був незадоволений офіційними навчальними підручниками, які здавались йому дуже тривіальними. Він починає самостійно вивчати “Геометрію” Декарта, “Арифметику нескінченного” Уолліса та “Оптику” Кеплера.
В 1665р. він отримує степінь бакалавра, а потім магістра. В 1669р. займає фізико-математичну кафедру в Кембріджському університеті. В ці ж роки Ньютон починає свої наукові дослідження. Період 60-80-х р. р. був найбільш плідним в діяльності вченого. До того часу відносяться його фундаментальні відкриття в області математики, механіки та оптики ( 1666р. – відкрив явище дисперсії, відбиваючий телескоп; 1675р. – відкрив явище, яке носить назву “кільця Ньютона”, був близьким до відкриття поляризації, одним з перших висловив думку про механічну природу тепла, дав теорію фігури Землі, правильно вказавши, що вона повинна бути стиснута біля полюсів...).
Великі заслуги Ньютона перед людством були визнані вже його сучасниками. В 1672р. Ньютона вибрали членом Лондонської королівської спілки, а з 1703р. і до кінця життя був незмінним її президентом. Крім того він був іноземним членом Паризької Академії наук ( з 1699р.).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
