Портал интересных увлечений. Основные этапы развития физики

Реферат на тему: «История физики»

Развитие физики

Физика относится к числу естественных наук, задачей которых является изучение природы в целях её подчинения человеку.

В древности слово «фи ика») означало природоведение. Впо­следствии природоведение расчленилось на ряд наук: физику, химию, астрономию, геологию, биологию, ботанику и т. д.

Среди этих наук физика занимает в известной мере особое поло­жение, так как предметом её изучения служат все основные, наиболее общие, простейшие формы движения материи.

Накопление знаний о явлениях природы происходило уже в глу­бокой древности. Даже первобытные люди, замечая черты сходства и различия в явлениях окружающего мира, приобретали из своей практики некоторые знания о природе. В дальнейшем систематизиро­вание накопленных знаний привело к возникновению науки.

Расширение и уточнение знаний о явлениях природы производи­лось людьми вследствие практических потребностей посредством на­блюдений, а на более высокой стадии развития науки - посредством экспериментов (наблюдение - это изучение явления в естественной обстановке, эксперимент - воспроизведение явления в искусственной обстановке в целях обнаружения особенностей данного явления в за­висимости от созданных условий).

Для объяснения явлений создавались гипотезы. Выводы из на­блюдений, экспериментов и гипотез проверялись при многообразном взаимодействии науки и практики; практика указывала способы уточ­нения научного опыта (наблюдений и экспериментов), исправляла гипотезы, обогащала науку. Наука в свою очередь обогащала прак­тику.

По мере того как расширялось применение научных знаний к пра­ктике, возникала потребность в использовании этих знаний для пред­сказания явлений, для расчёта следствий того или иного действия. Это привело к необходимости взамен разрозненных гипотез создать обобщающие и обоснованные теории.

Впервые потребность в теории возникла при возведении построек и сооружений и привела к развитию механики, в первую очередь учения о равновесии. В древнем Египте и Греции разрабатывались статика твёрдых тел и гидростатика. Потребность в определении времени для земледельческих работ и необходимость определения направления при мореходстве дали толчок к развитию астрономии. Целый ряд отделов знания был обоснован и систематизирован древ­негреческим мыслителем Аристотелем. Его «Физика» (в 8 книгах) на долгое время определила общее физическое мировоззрение.

Знания о природе по мере их накопления использовались господ­ствующими классами в своих интересах; в глубокой древности наука находилась в руках служителей культа (жрецов) и была тесно свя­зана с религией. Лишь в древней Греции наукой начали заниматься представители других привилегированных слоев общества. Лучшие представители античной натурфилософии, т. е. философии природы (Левкипп, Демокрит, Лукреций), положили начало материалистиче­скому пониманию природы и, несмотря на крайнюю недостаточность фактического материала, пришли к представлению об атомном строе­нии материи.

Распад античного общества временно приостановил развитие науки. В эпоху средних веков христианская церковь, опиравшаяся на господствующие классы феодального строя, чрезвычайными жестокостями, инквизицией, казнями подчинила философию целям богословия. Физика Аристотеля догматической трактовкой её, исключавшей воз­можность прогресса, была приспособлена церковью для укрепления авторитета священного писания. В это время, главным образом у ара­бов, создавших обширные государства и ведших оживлённую тор­говлю с отдалёнными странами, сохранились и получили некоторое развитие элементы наук, воспринятые от греков и римлян, в особен­ности по механике, астрономии, математике, географии.

В XV-XVI вв. на основе развёртывания европейской торговли и промышленности начались быстрый рост и оформление сначала меха­ники и астрономии, а в дальнейшем и наук, составляющих основу промышленной техники, - физики и химии. Работы Коперника, Кеп­лера, Галилея и их последователей сделали науку мощным орудием борьбы буржуазии с оплотом отживавшего феодального строя - ре­лигией. В борьбе с церковью был выдвинут научный принцип: вся­кое подлинное знание основано на опыте (на совокупности наблюде­ний и экспериментов), а не на авторитете того или иного учения.

В XVII в. крупная буржуазия стремилась к компромиссу с остат­ками господствующих классов феодального строя. Соответственно представители науки были вынуждены изыскивать компромисс с ре­лигией. Ньютон наряду с гениальными научными работами написал толкование на церковную книгу - апокалипсис. Декарт в своих фило­софских произведениях старался доказать бытие бога. Учёные поддерживали ложную идею о первом толчке, в котором якобы нужда­лась вселенная, чтобы придти в движение.

Развитие механики наложило свой отпечаток на научную теорию того времени. Учёные пытались рассматривать мир как механизм и стремились объяснить все явления путём сведения их к механическим перемещениям.

В этот период развития естествознания огромное применение по­лучило понятие силы. При каждом вновь открытом явлении приду­мывалась сила, которая объявлялась причиной явления. До сих пор в физике сохранились следы этого в обозначениях: живая сила, сила тока, электродвижущая сила и т. д.

Научные теории этого периода, рассматривавшие мир как неиз­менно движущуюся машину, отрицали развитие материи, переходы движения из одной формы в другую. Несмотря на успехи в расши­рении экспериментального материала, наука оставалась на позиции механистического мировоззрения.

В XVIII в. Ломонос ов правильно предугадал картину молекулярно-кинетического строения тел и высказал впервые единый закон веч­ности материи и её движения словами: «... все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого... Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила дви­жения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

В те же годы теория Канта и Лапласа о развитии солнечной системы из туманности устранила идею о необходимости первого толчка.

В XIX в. на основе колоссального роста производительных сил в период расцвета промышленного капитализма прогресс науки чрез­вычайно ускорился. Потребность в мощном и универсальном двига­теле для индустрии и транспорта вызвала изобретение паровой ма­шины, а её появление побудило учёных к изучению тепловых про­цессов, что привело к развитию термодинамики и молекулярно-кинетической теории. В свою очередь на основе термодинамики оказалось возможным конструировать более мощные и экономичные типы дви­гателей (паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания). Мы видим на этом примере, как практика побуждает к развитию научную теорию, а теория в дальнейшем занимает ведущую роль по отно­шению к практике.

Другим примером сложного взаимодействия теории и практики является развитие теории электричества и электротехники. Отрывоч­ные сведения об электрических явлениях имелись уже давно. Но только после того, как была открыта электрическая природа молнии, а затем был открыт гальванический ток, физика концентрирует своё внимание на изучении электричества. Фарадей, Максвелл, Ленц и др. разработали физические основы современной электротехники. Про­мышленность быстро использовала научные открытия и широким раз­витием техники открыла небывалые возможности для научного экспе­римента. Исследование молекулярного строения тел вскрыло электри­ческую природу молекулярных и атомных взаимодействий, что в свою очередь привело в наши дни к открытию атомной формы движения материи, раскрывающей необозримые перспективы для новой тех­ники.

Ряд открытий - закон сохранения и превращения энергии, теория электромагнитных волн, открытие электронов и радиоактивности - окончательно ниспроверг учение о неизменности природы. Механицизм потерпел крушение.

Правильно оценить, понять суть новых научных открытий оказалось возможным только с позиций созданной Марксом и Энгель­сом философии диалектич еского материализма.

«Диалектический материализм есть мировоззрение марксистско-ленинской партии. Оно называется диалектическим материализмом потому, что его подход к явлениям природы, его метод изучения явлений природы, его метод познания этих явлений является диале­ктическим, а его истолкование явлений природы, его понимание явлений природы, его теория-материалистической».

Явления природы при диалектическом подходе к ним нужно рас­сматривать в их взаимосвязи, взаимообусловленности, взаимозависи­мости и в их развитии, учитывая при этом, что количественные изме­нения приводят к коренным качественным превращениям, что разви­тие явлений порождается борьбой скрытых в них противоречий.

Диалектический подход к явлениям природы обеспечивает неиска­жённое, правильное отражение действительности в нашем сознании. Это решающее, абсолютное преимущество диалектического метода над всеми другими подходами к изучению явлений природы объ­ясняется тем, что основные черты, характеризующие диалектический метод, не придуманы произвольно, не навязывают нашему познанию искусственных, не свойственных ему мёртвых схем, но, напротив, точно воспроизводят самые общие, не имеющие исключений законы диалектики природы.

Все науки, в частности физика, наглядно, каждым фактом под­тверждают, что:

во-первых, любое явление происходит в органической, неразрыв­ной связи с окружающими явлениями; желая обособить явление, разорвать его связь с окружающими явлениями, мы неизбежно иска­жаем явление;

во-вторых, всё существующее подвержено закономерному и неис­черпаемому изменению, развитию, присущему самой природе вещей;

в-третьих, при непрерывном развитии накопление количественных изменений приводит к прерывистым, скачкообразным качественным превращениям; в-четвёртых, развитие всего существующего происходит в вечной борьбе противоположных тенденций, в борьбе между старым и новым, между отмирающим и нарождающимся, между отживающим и развивающимся.

Диалектический метод изучения явлений природы отражает эти всеобщие объективные законы, воспроизводит в принципах познания диалектику объективного мира. Верное отражение действительности в нашем сознании при диалектическом подходе к явлениям природы обязывает признать диалектический метод единственно правильным методом изучения явлений природы. Только диалектический материа­лизм является строго научным мировоз зрением). Все остальные фи­лософские воззрения ошибочны, оторваны от действительности, метафизичны.

Однако буржуазия в силу своих классовых интересов не может принять философию пролетариата - диалектический материализм. Учёные XIX в. в своей научной работе не могли не исходить из убеждения в реальности внешнего мира, который они изучают; по--этому в своей работе они являлись стихийными материалистами, но в своём мировоззрении они отражали взгляды господствующего класса и в той или иной степени отдавали дань идеализму, особенно в во­просах, связанных с философией. Бурный рост естествознания и вместе с тем упадок буржуазной философии породили характерные для тео­ретиков XIX в. идеологический разброд и недоверие к философии.

С наступлением империализма, в конце XIX и в начале XX вв., идеализм принял утончённую форму махизма (по имени основателя этого учения австрийского физика и философа Эрнста Маха). Махисты утверждали, что в своём «опыте» мы познаём не свойства объективной реальности, а лишь свои собственные ощущения. Следует иметь в виду, что слово «опыт» понимается махистами иначе, чем материа­листами. Материалисты называют опытом проверку практикой теоре­тических выводов о закономерностях внешнего мира; эксперимент является решающим мерилом верности той или иной научной теории, её соответствия объективной реальности. Для махистов опыт есть совокупность наших ощущений, а наука - их упорядочивание в на­шем сознании.

Разновидностью идеализма является также агностицизм, утвер­ждающий, что мы познаём явления, но не «вещь в себе», которая не­познаваема.

В результате несоответствия между колоссальным ростом поло­жительных фактических знаний о природе и теми идеалистическими выводами, которые из этих знаний стремятся сделать буржуазные учё­ные, современная физика переживает глубокий кризис. В. И. Ленин

в книге «Материализм и эмпириокритицизм» не только разоблачил махизм, но и дал глубокий анализ кризиса физики.

Успехи нашей страны в строительстве коммунизма пугают импе­риалистов и в то же время пробуждают политическую активность у миллионов трудящихся в капиталистических и особенно в колони­альных и зависимых странах, и это заставляет деятелей капиталисти­ческого мира какими угодно средствами противодействовать росту авторитета и влияния Советского Союза. В качестве одного из ме­тодов идеологической борьбы империалистов служит фальсификация истинной картины развития науки: замалчиваются, скрываются дости­жения Советского Союза и принижается роль русских учёных в раз­витии науки.

Что касается успехов советской физики, то лучше всего о них свидетельствуют два факта: первый - в нашей стране техника до­стигла небывалого расцвета, а физика служит основой научного совершенствования техники; второй - Советская Армия явила всему миру беспримерную мощь своего оружия, физика же, как известно, играет немаловажную роль в усовершенствовании военной техники.

С каждым годом во всех странах мира всё большее влияние на сознание народных масс оказывает философия диалектического мате­риализма. Стремясь противодействовать этому влиянию, истинные Хозяева империалистических государств щедро поощряют глашатаев всевозможных идеалистических течений в науке.

Успехи современной физики с очевидностью показывают торжество диалектического материализма. Тем не менее печать капиталисти­ческих стран особенно рекламирует и вводит в моду такие разно­видности физических теорий, которые своим беспримерным форма­лизмом открывают дорогу для идеалистических извращений. Не случайно, что в последние годы зарубежные научные журналы по физике охотно уделяют место обсуждению некоторых неометафизи­ческих теорий. Например, видные зарубежные учёные заняты попыт­ками извлечь из физической теории относительности вывод о конеч­ности вселенной и вычислить «радиус» и «возраст» мира.

А. А. Жданов в выступлении на философской дискуссии в 1947 г. показал, что модные зарубежные идеалистические извращения физики играют прислужническую роль в походе зарубежной реакции против марксизма. «Взять хотя бы учение английского астронома Эддингтона о физических константах мира, которое прямёхонько приводит к пифагорейской мистике чисел и из математических формул выводит такие „существенные константы" мира, как апокалиптическое число 666, и т. д. Не понимая диалектического хода познания, соотноше­ния абсолютной и относительной истины, многие последователи Эйн­штейна, перенося результаты исследования законов движения конеч­ной, ограниченной области вселенной на всю бесконечную вселенную, договариваются до конечности мира, до ограниченности его во вре­мени и пространстве, а астроном Мили даже „подсчитал", что мир создан 2 миллиарда лет тому назад. К этим английским учёным при­менимы, пожалуй, слова их великого соотечественника, философа Бэкона о том, что они обращают бессилие своей науки в клевету против природы.

В равной мере кантианские выверты современных буржуазных атомных физиков приводят их к выводам о „свободе воли" у элек­трона, к попыткам изобразить материю только лишь как некоторую совокупность волн и к прочей чертовщине» (А. А. Жданов).

Идеалистические течения в зарубежной науке повлияли и на не­которых советских физиков. Откровенная проповедь идеализма у нас затруднена тем, что она встречает отпор со стороны научной об­щественности. Тем не менее вследствие преклонения перед зарубежной наукой некоторые наши теоретики в скрытой, схоластической форме иногда выступают с деятельной защитой идеалистических концепций. Они пытаются доказать, что хотя Эйнштейн, Эддингтон, Бор, Гейзенберг и др. искусно поворачивали физику на путь к махизму, но развитые ими воззрения будто бы нетрудно согласовать с диалекти­ческим материализмом, если «отбросить махистскую фразеологию» и те же воззрения снабдить «диалектическими пояснениями». Эту - крайне опасную для нашей отечественной физики - позицию подчас оправ­дывают стремлением не утратить имеющиеся в тех или иных физи­ческих теориях ценные математические методы. При этом забывают (или умалчивают), что для усовершенствования этих методов давно назрела необходимость разработать другую методологическую основу их применения (см. т. III).

Обманчивы заявления, будто любая «верная» теория материи ма­териалистична. Господствующие теории всегда представлялись совре­менникам «верными теориями», но со временем выяснялось, что в них имеется только зерно истины, а многое, привнесённое физико-фило­софскими воззрениями авторов теорий, оказывалось ошибочным. Так, Сади Карно открыл второе начало термодинамики, но представление о теплороде, лежавшее в основе его теории, через тридцать-сорок лет было отброшено. Ампер открыл некоторые законы электродинамики, но методологические основы электродинамики Ампера оказались ложными и были отброшены вместе с представлением о том, что электричество лишено инерции. Крупнейшие завоевания в оптике были сделаны Гюйгенсом и Френелем на базе исключённых в настоящее время пред­ставлений о механических колебаниях эфира, и т. д.

Нет никаких оснований абсолютизировать современные физические теории; нельзя воображать, что они окажутся вечными, что после­дующее развитие физики не уточнит их, и не только в деталях, но и в некоторых исходных положениях.

Диалектико-материалистический подход к физическим теориям освещает правильные, здоровые, прогрессивные направления в теоре­тической физике и выявляет методологически ошибочные звенья тео­рий, обнаруживает лженаучность отдельных теоретических предпосылок и выводов, показывает, где, в каких предположениях та или иная теория отдаляется от действительности, в каких своих частях она нуждается в усовершенствовании, в переработке.

Несомненно, потребуется много труда и таланта, чтобы осущест­вить необходимую для прогресса науки переработку, перестройку некоторых физических теорий, которые их авторами были развиты, в махистском или идеалистическом духе. Эта задача трудна, но по­сильна для советской физики, которая уже показала свою зрелость и силу.

Материя и движение

Простейшими орудиями познания мира являются наши органы чувств. Инструментальная физика является дополнительным снаряже­нием глаза и уха человека. Наши слуховые и зрительные восприятия субъективны; мы воспринимаем звуковые тона, цветовые оттенки, запахи и т. д. Объективное различие, существующее между звуками неодинакового тона, заключается в неодинаковой частоте звуковых колебаний. Точно так же различию в цветовых оттенках объективно соответствует различие в частотах световых колебаний. Наши вос­приятия тепла и холода порождены большей или меньшей интенсив­ностью молекулярных движений. Ощущение звука, ощущение света, вкусовые, осязательные и обонятельные ощущения представляют собой только отклики нашего тела и сознания на порождающие их физические явления.

Такие слова, как «свет», «цвет», «теплота», «звук», «сила света», «степень нагретости» и т. д., в обыденной жизни мы употребляем в одном смысле: мы вкладываем в них физиологическое содержа­ние- содержание наших ощущений. В физике мы те же самые слова употребляем в ином смысле: мы обозначаем этими словами те объек­тивно протекающие процессы, которыми порождаются наши ощуще­ния, или же такие явления, которые были бы способны породить соответствующее ощущение, если бы наши органы чувств были более совершенны.

Наши ощущения разнородны. Порождающие их явления крайне разнообразны. Однако по мере роста наших познаний мы замечаем, что многие явления имеют важные черты сходства. Мы убеждаемся, что для правильного понимания мира мы должны выработать такие понятия, которые широко обобщают результаты эксперимента и главное - отражают единство природы какого-либо изучаемого нами ряда явлений.

Самыми общими и основными категориями являются материя и движение. «Материя - объективная, реальность, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им... Материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущения» (Ленин). Понятно, что посредством наших ощу­щений мы познаём материю только в её отдельных конкретных проявлениях; также и в нашей научной и практической деятельности мы имеем дело не с материей «вообще», а всегда с её конкретными про­явлениями.

Атрибутом (неотъемлемым свойством) материи является движение. Движение представляет собой форму существования материи. Когда мы говорим о движении, то всегда представляем себе некото­рое перемещение чего-либо, например перемещение тел, среды, частиц. Надо, однако, иметь в виду, что движение не сводится только к перемещению. «Всякое движение связано с каким-нибудь переме­щением- перемещением небесных тел, земных масс, молекул, атомов или частиц эфира. Чем выше форма движения, тем незначительнее становится это перемещение. Оно никоим образом не исчерпывает природы соответствующего движения, но оно неотделимо от него. Поэтому его необходимо исследовать раньше всего остального» (Энгельс).

Движение в философском смысле - это всякое изменение материи, всякий происходящий в природе процесс: химическая реакция, элек­тромагнитное излучение, рост дерева, мышление.

«Движение, рассматриваемое в самом общем смысле слова, т. е. понимаемое как форма бытия материи, как внутренне присущий материи атрибут, обнимает собою все происходящие во вселенной изменения и процессы, начиная от простого перемещения и кончая мышлением» (Энгельс).

Механика изучает простейшую форму движения, а именно пере­мещение тел или частиц в пространстве (механическое движение).

Некоторые физические открытия XIX в. дали возможность как бы «свести» целый ряд явлений, казавшихся совершенно разнородными, к механическому движению. Так, например, тепловое состояние тела было как будто «сведено» к механическому движению его молекул. На этой почве укрепилось предположение, что все вообще явления природы в конечном счёте представляют собой только механическое движение; был выдвинут лозунг - свести всё естествознание к меха­нике. Такое воззрение носит название механистического мировоззрения.

Это воззрение ошибочно. Сущность высоких форм движения в дей­ствительности несводима к механическому движению. Каждая форма движения имеет особые черты, составляющие её своеобразие (её каче­ство). Даже тепловое движение, хотя оно и слагается из механиче­ского движения молекул, не исчерпывается им; при тепловом движении перемещения молекул в среднем подчинены особым законам стати­стики, которые не вытекают из законов механики.

Законы механики важны для понимания низших форм движения, но они недостаточны для понимания высших (более сложных) форм. Уже в молекулярных движениях обнаруживаются явления, которые не могут быть объяснены и предсказаны посредством одних только ньютоновых законов. Именно эти явления, не поддающиеся исчер­пывающему объяснению, если исходить только из перемещений, выступают на первый план, когда мы обращаемся к изучению внутри* атомных движений, а также и тех движений, которые лежат в основе электрических и магнитных процессов. В столь высоких формах движения, как биологические процессы и мышление, перемещения играют, несомненно, второстепенную роль в сравнении с другими свое­образными сторонами этих процессов, несводимыми к механическому движению. Природа сложнее, чем думают механисты.

Физика изучает простейшие формы движения: 1) механическое движение (поступательное, вращательное, колебательное, волновое) и связанные с механическим движением проявления всемирного тяго­тения; 2) молекулярно-тепловое движение и процессы, обусловлен­ные межмолекулярными взаимодействиями (свойства и изменения агре­гатных состояний, диффузию и растворение, передачу тепла и т. п.); 3) электрические и электромагнитные процессы и 4) внутриатом­ное движение и свойства тел, определяемые строением атомов (в част­ности, оптические свойства тел, происхождение важнейших химиче­ских особенностей веществ, космические и лабораторные процессы преобразования элементов и т. п., вплоть до освобождения внутри­ядерной энергии).

При научном исследовании физических явлений в подавляющем большинстве случаев мы встречаемся с теснейшей взаимосвязью, со взаимопроникновением и преобразованием всех указанных форм движения материи.

В настоящее время очень нелегко провести границу между физи­кой и примыкающими к ней науками, особенно химией.

В физике изучаются как движения тел, составленных из огром­ного числа молекул, так и более тонкие формы движения материи - движение молекул, атомов, их ядер, электронов. Иногда раздел физики, имеющий дело с телами, которые содержат огромное число атомов или молекул, называют макрофизикой; раздел физики, в котором изучаются движения и взаимодействия отдельных мельчайших частиц, называется микрофизикой.

Химия также имеет дело с атомами и молекулами, но изучает качественные особенности вещества, к которым приводят количествен­ные изменения числа электронов в атоме, числа и рода атомов в мо­лекулах. В пограничной области между физикой и химией развилось несколько дисциплин: физическая химия, коллоидная химия и др.

К физике примыкают науки, изучающие конкретные состояния материи, окружающей нас на Земле (геофизика, метеорология, гидро­логия), в небесных телах (астрофизика), в живых организмах (био­физика).

Глубокая внутренняя связь между физикой, химией, астрономией, геологией, биологией обеспечивается единством, общностью строения материи во всех её конкретных проявлениях. Самые отдалённые звёзды, Солнце, земная кора, живые организмы построены из одних и тех же химических элементов. Молекулярные силы, химические междуатомные силы, внутриатомные силы в основном имеют электрическую природу. Атомы всех химических элементов построены в известной мере однотипно: из положительно заряженных массивных атомных ядер и легчайших из известных нам элементарных частиц - элек­тронов, которые в своём стремительном движении по замкнутым орбитам вокруг ядра образуют как бы электронное облако, охваты­вающее ядро. Ядра всех атомов построены из протонов - положи­тельно заряженных ядер атомов водорода, масса которых в 1836 раз превышает массу электрона, и почти таких же по массе, но элек­трически нейтральных частиц - нейтронов.

Кроме этих основных, стабильных частиц, в космических лучах обнаружилось существование малоустойчивых частиц: положительных электронов - позитронов, имеющих такую же массу, как и отри­цательные электроны, и мезонов - частиц трёх родов по заряду - отрицательных, положительных и нейтральных - и нескольких разно­видностей по величине массы: мезонов, имеющих массу примерно в 210 раз большую, чем масса электрона, и мезонов, масса которых примерно в 280 раз превышает массу электрона.

В пространстве, где находятся электрические заряды, происходят скрытые, неизвестные нам движения материи, которые проявляются в действии электрических сил на пробный заряд, внесённый в любое место этого пространства, и в действии магнитных сил на движу­щийся заряд; эту особую форму движущейся материи (отличающуюся от частиц, но порождающую взаимодействие электрически заряженных ча­стиц и намагниченных тел) называют электрическим и магнитным полем.

В отличие от электричества не существует свободного, несвязан­ного полярного магнетизма-магнитные полюсы не могут быть разъ­единены. Электрическая и магнитная энергия непрерывно распределены в электрическом и магнитном поле. Но установлено в качестве одного из главных законов физики (который разъяснён в т. III), что где имеется энергия, там имеется в пропорциональном количестве и масса. Таким образом, электрическое и магнитное поля имеют материаль­ную основу - обладают массой и энергией.

Можно сказать, что современной физике материя известна в двух основных формах, которые, однако, при всей их противоположности неразрывно связаны: в форме частиц вещества и в форме полей. Электроны представляют собой совокупность этих двух форм мате­рии: электрон - частица и в то же время он - центр порождённого им электромагнитного поля, которое является носителем его энергии и массы.

Нейтроны (электрически нейтральные частицы, имеющие массу водородного ядра) являют собой наиболее характерный пример кор­пускулярной формы материи. Какое-то поле присуще и нейтрону, но природа и строение этого поля пока остаются невыясненными.

Физике хорошо известна и другая крайность - электромагнитная форма материи. Это - свет, тепловое излучение и вообще квантовое излучение, которое представляет собой волновое электромагнитное поле, оторвавшееся от породивших его зарядов и распространяю­щееся с предельной скоростью движения - со скоростью света. Отрыв электромагнитного поля от породивших его зарядов происхо­дит по квантовому закону, согласно которому энергия излучается не иначе, как определёнными порциями, в количествах, равных или не­сколько раз повторяющих величину e=hv, где h - некоторая уни­версальная постоянная и v - частота колебаний в излучённом электро­магнитном поле. Эти порции излучения называют фотонами.

Каждой доле энергии соответствует пропорциональная ей масса: атом, излучающий фотон, вместе с энергией теряет определённую массу; эту массу уносит фотон. До излучения это была масса неко­торой части электромагнитного поля зарядов, а после излучения она же стала массой фотонов.

Встречающиеся в некоторых книгах рассуждения о превращении массы в энергию представляют собой небрежность, неточность изло­жения или же преднамеренное идеалистическое извращение физики. Никакого превращения массы в энергию никогда не происходит.

В смысле целостности и наличия массы фотоны аналогичны ча­стицам, и в определённых случаях они и проявляются как частицы, но в то же время фотоны, не имея структурно обособленных центров сосредоточения массы и энергии, представляют собой полную противо­положность частицам; фотон - это электромагнитное поле, оторвавшееся от зарядов, но сохраняющее свою целостность, несмотря на то, что оно более или менее раскинуто в пространстве как группа, пакет волн.

Вместо двух основных форм материи (частицы и поля) при более детальной классификации видов материи каждый род частиц и их устойчивых сочетаний можно рассматривать как особый вид материи. Таким образом, в физике различают материю:

в виде фотонов разной длины волны;

в виде элементарных частиц, а именно: электронов (электрон­ного облака в атоме, электронного газа в металле, электронного тока, электронных лучей) и ядерных частиц (позитронов, протонов, ней­тронов, мезонов и простейших атомных ядер, обнаруживающих себя при радиоактивности и в ядерных реакциях);

в виде атомов, ионов, молекул и их сочетаний в химические вещества.

Приведённые классификации физических форм движения мате­рии и видов материи, изучаемых физикой, соответствуют совре­менной ступени развития физики. По мере углубления наших знаний о природе и строении материи подобного рода классификации посто­янно подвергаются пересмотру и усовершенствованию.

При развитии физики происходит смена физических теорий, уточ­няются и совершенствуются законы и понятия физики. При развитии физики происходит смена и предмета физики и методов физиче­ского исследования мира.

Вначале физика представляла собой науку о природе, т. е. пред­мет её был, казалось бы, несоизмеримо шире современного, когда от физики отделились и обособились многочисленные естественные науки: химия, биология, геология и т. д. Однако следует учесть, что физика, понимавшаяся в древности как естествознание, в действительности имела предметом изучения немногочисленные явления, которые сде­лались известны человечеству из узкого круга наблюдений, произ­ведённых невооружённым глазом немногими людьми, интересовавши­мися наукой.

Уже в средние века, когда от физики отделялись нарождавшаяся химия и начатки некоторых других естественных наук, предмет изу­чения физики не только не сузился, но, напротив, расширился (что и вызвало отделение упомянутых наук). Действительно, к этому вре­мени весьма расширились познания людей о движении и равновесии тел, о плавании твёрдых тел в жидкостях, о тепловых явлениях, кипении, растворении, кристаллизации, о явлениях погоды и т. п. Это расши­рение области явлений, изучаемых физикой, было вызвано прак­тическими потребностями людей, в связи с распространением ремёсел и торговли, и произошло благодаря расширению и некоторому усо­вершенствованию наблюдений и простейших экспериментов.

По мере роста производственных и технических средств происхо­дило инструментальное оснащение физики; в практику физического исследования были постепенно введены весы, ареометры, термометры, гигрометры, лупы, микроскоп, оптические призмы, спектрометры и другие приборы. Наряду с этим развивались математические методы, позволявшие физикам путём вычислений мысленно проникать в область явлений, недоступных для непосредственного обследования физиче­скими приборами. Всё это в чрезвычайной степени расширило пред­мет изучения физики; изучение механических, тепловых, звуковых и световых явлений, а также свойств твёрдых, жидких и газообразных тел было дополнено изучением электрических и магнитных процессов, изучением мира молекул и атомов, а позже и раскрытием строения атома.

Развитие техники и сильно возросшее значение физики для про­мышленности привели к оснащению физических лабораторий мно­жеством точных приборов и в первую очередь высокосовершенной электроизмерительной и оптической аппаратурой. Строгие методы исследования химического состава и строения тел - спектраль­ный анализ, микроскопия и рентгеноструктурный анализ - были до­полнены ещё более тонкими методами, где световые и рентгеновы лучи были заменены атомными и электронными лучами. Были найдены способы, позволяющие из обычных веществ создавать радиоактивные вещества и осуществлять атомноядерные реакции, т. е. превращение химических элементов. В итоге физика поднялась на современную ступень экспериментальных и теоретических открытий, которые ведут к новому стремительному усовершенствованию и преобразованию тех­ники.

Из сказанного ясно, что одной из характерных черт в разви­тии физики является постепенное и планомерное исследование физи­кой всё более тонких, более скрытых видов физического движения материи, где перемещение испытывают всё более мелкие частицы вещества и где само геометрическое перемещение частиц отступает на второй план в сравнении с другими явлениями. Это направление в историческом развитии физики можно охарактеризовать схемой: исследование механического движения тел (механика твёрдых, жидких и газообразных тел) ® исследование упругих движений тел (тео­рия упругости, акустика) ® исследование молекулярного теплового движения (кинетическая теория, термодинамика) ® исследование элек­трического движения (электродинамика) ® исследование внутримоле­кулярных и внутриатомных движений (физическая химия, оптика) ® исследование корпускулярно-лучистых и внутриядерных движений (электронная физика, учение о радиоактивности и космических лучах, учение о ядерных превращениях).

Разумеется, эта схема, как и всякая вообще схема, упрощает дело. В действительности перечисленные виды движения так связаны между собой, что во многих случаях открытия, сделанные в области одного из видов движения, сильно влияют на изучение других видов движения. Поэтому нельзя четко выделить исторические этапы в развитии физики, которые строго соответствовали бы приведённой схеме. Тем не менее эта схема правильно указывает общее направление развития физики.

Обращает на себя внимание другая характерная черта в развитии физики: длительное время (в XVII, XVIII и в первой половине XIX в.) при исследовании различных физических видов движения главное место в новых физических теориях занимало понятие силы; в после­дующем, во второй половине XIX в., основное место в физических теориях заняло понятие энергии; в физике XX в. главное место в фи­зических теориях занимает понятие действия (произведение энергии на время). Это направление в развитии физики означает освобождение физики от влияния метафизических представлений, побуждавших рас­сматривать силы как «причины возникновения» движения; физикой была обнаружена необходимость поставить на первое место в тео­риях величину, которая наиболее полно определяет взаимопревращаемость различных видов движения; сначала предполагалось, что такой величиной является энергия, но оказалось, что главную роль играет действие.

Отражен ие объективной реальности в физических теориях

Материалисты и идеалисты подходят к определению цели и содер­жания физики, к оценке истинности её законов и теорий с совер­шенно различных позиций. Само понимание истины и возможности раскрытия истины при физическом исследовании мира противоположно у материалистов и идеалистов.

Представители наиболее распространённой сейчас за рубежом идеалистической школы - последователи Маха - исходят из того, что наши познания о природе формируются через ощущения, и утвер­ждают, что вследствие этого физическое исследование мира не может нам дать ничего большего, как установление общепризнанных всеми людьми связей между фактами ощущений. Мах в одном из своих сочинений (в 1872 г.) прямо писал, что задача физики заключается в том, чтобы «открывать законы связи между ощущениями».

Наиболее последовательные махисты считают, что именно ощу­щения, а не вещи являются истинными элементами мира; другие ма­хисты неокантианского толка, соглашаясь с материалистами, что причиной ощущений являются объективно существующие вещи, в то же время в противоположность материалистам считают, что наши познания ограничиваются ощущениями, что вещи остаются принци­пиально непознаваемыми.

В соответствии с этим махисты отрицают возможность раскрытия абсолютной истины. По их мнению, абсолютной истины нет, а если бы она и была, то она всегда оставалась бы вне пределов человече­ского познания.

Но что такое истина? Этот вопрос во все времена задавали себе все философы и отвечали на него по-разному.

Философы с религиозными воззрениями безуспешно искали истину в религии, некоторые философы-идеалисты усматривали истину в нрав­ственном совершенствовании человека, другие - в его субъективных представлениях, третьи - в одухотворении всей природы, четвёртые считали истину непознаваемой и т. д. По мнению махистов, знания человека не могут быть достоверными, и поэтому все истины отно­сительны; объективной, абсолютной истины нет.

По мнению махистов, цель науки-не раскрытие истины, а при­ведение фактов в такую систему, которая обеспечивала бы наиболь­шую экономию мышления. Физические понятия, законы и теории, по мнению махистов, не раскрывают природы вещей, но представляют собой только удобную форму для совершенно условного «описания фактов». Под «фактами» махисты подразумевают комплексы наших ощущений,

Как же следует в действ ительности понимать содержание и гра­ницы физического исследования мира?

"Прежде всего, следует отметить, что в действительности весь ход исторического развития науки, равно как и ход каждого отдельного научного исследования, происходит по диалектическому закону, сфор­мулированному В. И. Лениным в следующих словах: «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике - таков диалектический путь познания истины, познания объективной реаль­ности». Таким образом, научное исследование является единством теории и практики при решающей роли практики и ведущей роли теории.

Результат эксперимента, при постановке которого исследователь уже руководится определённой гипотезой, даёт возможность прове­рить гипотезу, уточнить и расширить её до степени теории, уста­новить физический закон, т. е. установить характер объективной зависимости между различными физическими величинами.

Опыт (наблюдение, эксперимент, практика) является источником всех наших знаний. Но наряду с опытом для развития знаний руко­водящее значение имеет теоретическое мышление. Без теоретических обобщений, без указаний теории о разумном направлении экспе­риментов невозможно движение науки вперёд.

Теоретические обобщения современной физики подытоживают всё, что было добыто пытливым человеческим умом в области изучения физических явлений за весь длинный период развития культуры. Чтобы уточнить обобщения и охватить неисчислимое количество фактов посредством сравнительно немногих теоретических понятий и формул, оказалось необходимым создать ряд математических наук: дифференциальное и интегральное исчисление, теорию дифференци­альных и интегральных уравнений, вариационное исчисление, матема­тическую теорию вероятностей, векторный анализ, математическую теорию поля, тензорный анализ и т. д. Нелегко овладеть этим об­ширным математическим аппаратом. Математические трудности, стоящие на пути правильного использования современных физических теорий, подчас отпугивают некоторых физиков-экспериментаторов; уделом таких физиков является плоский вульгарный эмпиризм, который заводит их исследования в тупик.

Нередко случается, что вследствие математических трудностей отдельные физики вместо правильного использования современных физических теорий придумывают свои особые, весьма упрощённые гипотезы «с потолка», гипотезы, которые не учитывают всей слож­ной совокупности изученных физикой фактов, отстают от науки и поэтому обычно оказываются беспомощными или даже вредными.

Физика, обогащаясь благодаря экспериментам, опирается в своём развитии на математику. Известная математизация физики нужна, но излишняя абстрактность физических теорий и не вызываемая дей­ствительной необходимостью математически усложнённая трактовка вопросов опасны. Такие страдающие чрезмерным формализмом фи­зические теории не используются экспериментаторами и толкают физику к отрыву от практики.

Характерно, что ненужная гипертрофия математического аппа­рата в некоторых физических теориях, допускаемая их авторами ради математического «искусства для искусства» в явный ущерб физической ясности и простоте теории, измышление без нужды мно­жества новых малополезных символов из-за любви к символике, особое пристрастие к выдуманным вспомогательным величинам и их условным преобразованиям - все эти и им подобные черты форма­лизма в физике более всего свойственны физикам-идеалистам.

Как бы абстрактна ни была теория, если она верна, если она построена правильно, то не только её выводы должны отвечать действительности, но и все звенья теории, все понятия и вели­чины, которыми она оперирует, также должны возможно точ­нее отражать объективную реальность.

Рассмотрим ближе вопрос о нормальном соотношении между теоретическим мышлением и объективной реальностью. Источником мышления являются прежде всего наши впечатления. Трудами великого русского физиолога Сеченова было установлено, что между впечатле­нием и объективными причинами, породившими впечатление, всегда существует некоторое промежуточное звено. Например, при зри­тельных впечатлениях промежуточным звеном является изображение предметов на сетчатке глаза. Промежуточное звено, например полу­ченный на дне глаза образ предмета, деятельностью нервных волокон и коры головного мозга отражается сознанием. В особенности важны убедительные доказательства Сеченова, что формы и свойства пред­метов, их распределение в пространстве, их перемещения отражаются верно, в полном соответствии с действительностью.

Этот вывод Сеченова соответствует марксистско-ленинской теории отражения: наше сознание черпает впечатления из ощущений, ко­торые, с одной стороны, являются результатом воздействия внешних предметов на органы чувств, а с другой стороны, неотделимы от работы мысли; от живого созерцания процесс познания ведёт к аб­страктному мышлению, проверяемому практикой, и в итоге челове­ческое сознание верно отражает объективную реальность.

Деятельность памяти и мышления направлена и на расчленение (анализ) фактов, и на связывание различаемого в одно целое - на обобщение (синтез) посредством отвлечения от второстепенных свойств предмета или маловажных признаков явления. В результате обобщения большого количества фактов наше сознание создаёт пред­ставления и понятия. Таким образом, абстрактное мышление опе­рирует понятиями, которые отражают в полном соответствии с, объективной реальностью типичные черты множества сходных вещей и характерные черты однородных явлений. Отражение - это согласование, соответствие между восприятием или мыслью и объективной реальностью; отражение - это образ, вернее, картина, как бы копия объективного мира.

При физическом исследовании мира, чтобы раскрыть закономер­ности, относящиеся к таким формам движения, как, например, элек­трические явления, которые непосредственно не доставляют нам большого числа чувственных восприятий, мы пользуемся представ­лениями и понятиями, выработанными при исследовании наиболее наглядной, наиболее осязаемой формы движения - механического движения. Именно так были введены в физику понятия об электри­ческой силе, об электрической работе, о магнитной силе и работе и связанные с ними представления об электрической и магнитной напря­жённости полей, об электрическом потенциале и т. п. По мере раз­вития наших познаний о более сложных формах движения некоторые неудачно введённые в физику из механики представления и понятия приходилось отбрасывать, так как ни одна сложная форма движения не сводима полностью к более простой форме движения; другие же понятия в основе своей сохранились, причём в деталях преобразо­вывались соответственно открываемым особенностям изучаемой формы движения.

Таким образом, физические понятия и представления о физических величинах вовсе не являются произвольным плодом творчества нашего мышления или простым результатом соглашений, сделанных физиками в целях унификации измерений, как это кажется махистам; физиче­ские понятия и представления о физических величинах отра­жают объективную реальность и отражают её тем вернее и полнее, чем выше ступень развития физики.

Всё ошибочное, что вводится в науку вследствие недостаточности наших познаний и по вине увлечения формализмом, который часто засоряет физику искусственными, ложными представлениями, - всё это в последующем развитии науки вскрывается как несоответствие истине и отбрасывается.

Развитие физико-теоретических представлений происходит по­средством замены одних устаревших теорий другими, более совер­шенными, которые по-новому, точнее объясняют возросший круг изученных явлений и в то же время сохраняют в себе все зёрна истины, имевшиеся в старых теориях.

Наряду с этой сменой теории, ведущей к их усовершенствованию, т. е. к более полному отражению реальности, громадное значение для развития физики имеет процесс постепенного, а иногда происходящего скачками преобразования смысла, содержания физических понятий.

Примером может служить развитие одного из основных физиче­ских понятий - понятия об атоме вещества.

Древние греки считали атом крайне малой частицей вещества, твёрдой, как крохотный камешек, имеющей шарообразную, овальную или какую-либо другую форму и снабжённой крючкообразными вы­ступами, которые своими сцеплениями при сближении атомов обеспечивают прочность тела. В XVII и XVIII вв. атом понимали как предел механического и химического деления вещества, как абсолютно твёрдую инертную частицу, которая является вместе с тем центром сил взаимного тяготения и сил молекулярного сцепления. В конце XIX и в начале XX вв. атом стали представлять себе как сложную частицу, состоящую из облака положительного электричества и не­которого числа размещённых в нём электронов, которые при внешних воздействиях на них смещаются и двигаются по законам классической электродинамики. Ещё несколько позже, в начале второго десяти­летия XX в., обнаружилось, что положительное электричество атома сосредоточено в крохотном массивном атомном ядре; вокруг ядра с громадной быстротой вращаются электроны, которые удерживаются только на определённых стационарных орбитах и испытывают изме­нение в состоянии движения не по законам классической электро­динамики, а по совершенно иным, квантовым законам. В настоящее время мы знаем, что ядро любого атома является сложным и состоит из положительных ядер водородного атома - протонов и таких же по массе нейтральных частиц-нейтронов; кроме того, стало ясным, что строение атома обрисовывается ближе к истине не геометриче­ской, а энергетической картиной, которая раскрывается волновой механикой (т. III).

Глубокое, коренное изменение претерпело и понятие об элек­тронах, которые ещё недавно физика считала как бы мельчайшими капельками электричества, равномерно распределённого в объёме шарика или же сосредоточенного на поверхности его. Достаточно сказать, что в настоящее время электроны и позитроны мы предста­вляем себе как частицы, которые имеют не только электрические, но и чисто магнитные свойства, как бы вызываемые вращением этих частиц вокруг своей оси, а в действительности имеющие более слож­ное происхождение; кроме того, известно, что электроны и позитроны имеют, как и все вообще мельчайшие частицы материи, некоторые свойства, присущие волнам; наконец, обнаружилось, что при опреде­лённых условиях пара частиц, электрон и позитрон, может превратиться в так называемый гамма-фотон-материальный пакет электромагнит­ных волн, как бы частицу излучения, которое отличается ещё большей проникающей способностью, чем рентгеновы лучи.

Даже такие, казалось бы простые, понятия, как вес и масса, пре­терпели при развитии физики глубочайшие изменения.

Первое преобразование понятия о весе тел было вызвано откры­тием шарообразности Земли: понятие веса пришлось связать с напра­влением силы веса к центру Земли. Ньютонов закон тяготения по­зволил обнаружить неправильность понимания веса тела как неизмен­ного свойства этого тела и привёл к расширенному пониманию веса как проявления тяготения между рассматриваемым телом и земным шаром или другим небесным телом, если имеется в виду вес тела по Отношению, например, к Луне, к какой-либо планете, к Солнцу и т. д.

При этом стала ясной зависимость веса тела на Земле от высоты расположения тела над уровнем моря. В соответствии с этими зако­нами механики и фактом суточного вращения Земли и её неточно шарообразной формы обнаружилась сложная зависимость веса как давления тела на опору от географической широты местности. Ещё более расширенное представление о весе было установлено в эйнштей­новой теории тяготения: здесь понимание тяготения, а в частности, стало быть, и веса, было связано со свойствами самого пространства, в котором расположены тяготеющие массы.

Представление о массе как о количестве материи в теле и в то же время как о мере инертности было введено в физику Ньютоном. Долгое время массу понимали как абсолютное, неизменное свойство тела, совершенно независимое от состояния движения тела, от сте­пени его нагретости, наэлектризованности и т. д. Однако, когда были открыты и исследованы электроны, обнаружилось, что их масса имеет электромагнитное происхождение. Это привело в свою очередь к открытию зависимости массы тела от скорости его движения, что сказывается только при очень больших скоростях, соизмеримых со скоростью света. Это открытие подсказало, что скорость света в пу­стоте (в эфире) есть предельная, наибольшая возможная скорость движения. Наконец, было установлено, что масса тела и энергия тела являются двумя мерами материи в её движении и что эти две меры: одна, определяющая количество материи, - масса, и другая, определяющая размах движения и взаимодействия,-энер­гия, строго пропорциональны друг другу. Коэффициент пропорцио­нальности, на который нужно умножить массу тела, выраженную в граммах, чтобы получить его энергию в эргах, равен квадрату ско­рости света в пустоте (в см/сек).

В процессе развития физики, как известно, неузнаваемо измени­лись представления о теплоте, о магнетизме, о свете, о природе молекулярных сил и т. д. Каждое новое, изменившееся содержание физических понятий всё глубже, вернее, полнее отражает объектив­ную реальность.

Цель физики - содействовать покорению природы человеком и в связи с этим раскрывать истинное строение материи и законы её движения.

Наука возникла в глубокой древности как попытка осмыслить окружающие явления, взаимосвязь природы и человека. Сначала она не разделялась на отдельные направления, как сейчас, а объединялась в одну общую науку - философию. Астрономия выделилась в отдельную дисциплину раньше физики и является наряду с математикой и механикой одной из древнейших наук. Позже наука о природе так же выделилась в самостоятельную дисциплину. Древнегреческий учёный и философ Аристотель назвал физикой одно из своих сочинений.

Одна из главных задач физики - объяснить строение окружающего нас мира и происходящие в нём процессы, понять природу наблюдаемых явлений. Другая важная задача - выявить и познать законы, которым подчиняется окружающий мир. Познавая мир, люди используют законы природы. Вся современная техника основана на применении законов, открытых учёными.

С изобретением в 1780-х гг. парового двигателя началась промышленная революция. Первый паровой двигатель изобрёл английский учёный Томас Ньюкомен в 1712 г. Паровая машина пригодная для использования в прмышленности, впервые создана в 1766 г. русским изобретателем Иваном Ползуновым (1728-1766).Шотландец Джеймс Уатт усовершенствовал конструкцию. Созданный им в 1782 г. двухтактный паровой двигатель приводил в движение машины и механизмы на фабриках.

Сила пара приводила в движение насосы, поезда, пароходы, прядильные станки и множество других машин. Мощным толчком для развития техники послужило создание английским физиком «гениальным самоучкой» Майклом Фарадеем в 1821 г. первого электродвигателя. Создание в 1876г. немецким инженером Николаусом Отто четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания открыло эру автомобилестроения, сделало возможным существование и повсеместное использование автомобилей, тепловозов, судов и других технических объектов.

То, что раньше считалось фантастикой, сейчас становится реальной жизнью, которую мы уже не представляем без аудио- и видеотехники, персонального компьютера, сотового телефона и Интернета. Их возникновение обязано открытиям сделанным в различных областях физики.

Однако и развитие техники способствует прогрессу в науке. Создание электронного микроскопа позволило заглянуть внутрь вещества. Создание точных измерительных приборов сделало возможным более точный анализ результатов экспериментов. Огромный прорыв в области изучения космоса был связан именно с появлением новых современных приборов и технических устройств.

Таким образом, физика как наука играет огромную роль в развитии цивилизации. Она перевернула самые фундаментальные представления людей - представления о пространстве, времени, устройстве Вселенной, позволив человечеству совершить качественный скачок в своём развитии. Успехи физики позволили сделать ряд фундаментальных открытий в других естественных науках, в частности, в биологии. Развитие физики в наибольшей степени обеспечивало бурный прогресс медицины.

С успехами физики связаны и надежды учёных на обеспечение человечества неиссякаемыми альтернативными источниками энергии, использование которых позволит решить многие серьёзные экологические проблемы. Современная физика призвана обеспечить понимание самых глубинных основ мироздания, появления и развития нашей Вселенной, будущего человеческой цивилизации.

Зарождение и развитие физики как науки. Физика - одна из древнейших наук о природе. Первыми физиками были греческие мыслители, которые предприняли попытку объяснить наблюдаемые явления природы. Величайшим из древних мыслителей был Аристотель (384-322 pp. До н. Н.э.), который ввел слово «<{> vai ?,» («фюзис»)

Что в переводе с греческого означает природа. Но не подумайте, что "Физика" Аристотеля хоть как-то похожа на современные учебники по физике. Нет! В ней вы не найдете ни одного описания опыта или прибора, ни рисунка или чертежа, ни одной формулы. В ней - философские размышления о вещах, о времени, о движении вообще. Такими же были все труды ученых-мыслителей античного периода. Вот как римский поэт Лукреций (ок. 99-55 pp. До н. Н.э.) описывает в философской поэме «О природе вещей» движение пылинок в солнечном луче: От древнегреческого философа Фалеса (624-547 pp. До н. Э) берут начало наши знания по электричеству и магнетизму, Демокрит (460-370 pp. до н. э) является основоположником учения о строении вещества, именно он предположил, что все тела состоят из мельчайших частиц - атомов, Евклиду (III в. до н. н.э.) принадлежат важные исследования в области оптики - он впервые сформулировал основные законы геометрической оптики (закон прямолинейного распространения света и закон отражения), описал действие плоских и сферических зеркал.

Среди выдающихся ученых и изобретателей этого периода первое место занимает Архимед (287-212 pp. До н. Н.э.). Из его работ «О равновесии плоскостей», «О плавающих телах», «О рычаги» начинают свое развитие такие разделы физики, как механика, гидростатика. Яркий инженерный талант Архимеда проявился в сконструированных им механических устройствах.

С середины XVI в. наступает качественно новый этап развития физики - в физике начинают применять эксперименты и опыты. Одним из первых является опыт Галилея с бросания ядра и пули с Пизанской башни. Этот опыт стал знаменитым, поскольку его считают «днем рождения» физики как экспериментальной науки.

Мощным толчком к формированию физики как науки стали научные труды Исаака Ньютона. В работе «Математические начала натуральной философии» (1684 г.) он разрабатывает математический аппарат для объяснения и описания физических явлений. На сформулированных им законах было построено так называемое классическое (Ньют-новский) механику.

Быстрый прогресс в изучении природы, открытие новых явлений и законов природы способствовали развитию общества. Начиная с конца XVIII в., Развитие физики вызывает бурное развитие техники. В это время появляются и совершенствуются паровые машины. В связи с широким их использованием в производстве и на транспорте этот период времени называют «возрастом пары». Одновременно углубленно изучаются тепловые процессы, в физике выделяется новый раздел - термодинамика. Наибольший вклад в исследовании тепловых явлений принадлежит С. Карно, Р. Клаузиуса, Д. Джоуля, Д. Менделеев, Д. Кельвину и многим другим.

Сколько стоит написать твою работу?

Выберите тип работы Дипломная работа (бакалавр/специалист) Часть дипломной работы Магистерский диплом Курсовая с практикой Курсовая теория Реферат Эссе Контрольная работа Задачи Аттестационная работа (ВАР/ВКР) Бизнес-план Вопросы к экзамену Диплом МВА Дипломная работа (колледж/техникум) Другое Кейсы Лабораторная работа, РГР Он-лайн помощь Отчет о практике Поиск информации Презентация в PowerPoint Реферат для аспирантуры Сопроводительные материалы к диплому Статья Тест Чертежи далее »

Спасибо, вам отправлено письмо. Проверьте почту .

Хотите промокод на скидку 15% ?

Получить смс
с промокодом

Успешно!

?Сообщите промокод во время разговора с менеджером.
Промокод можно применить один раз при первом заказе.
Тип работы промокода - "дипломная работа ".

История физика

Федеральное государственное образовательное учреждение

Среднего профессионального образования

Черногорский механико-технологический техникум

по дисциплине: Физика

выполнил:

студент 1 курса

специальности

"Теплоснабжения и

теплотехнического

оборудования"

Крылов А.Е.

проверил: Тимошкин А.И.

Черногорск 2009

План

1.История физики

2. Предмет и структура физики

3. Основные этапы истории развития физики

4. Связь современной физики с техникой и другими естественными науками

5. Роль тепловых машин в жизни человека

1. История физики

Физика (греч. ta physika, от physis - природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. По изучаемым объектам физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля.

Физика начала развиваться еще до н. э. (Демокрит, Архимед и др.); в 17 в. создается классическая механика (И. Ньютон); к кон. 19 в. было в основном завершено формирование классической физики. В нач. 20 в. в физике происходит революция, она становится квантовой (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор). В 20-е гг. была разработана квантовая механика - последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак). Одновременно (в нач. 20 в.) появилось новое учение о пространстве и времени - теория относительности (А. Эйнштейн), физика делается релятивистской. Во 2-й пол. 20 в. происходит дальнейшее существенное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми, Р. Фейнман, М. Гелл-Ман и др.), конденсированных сред (Д. Бардин, Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбов и др.).

Физика стала источником новых идей, преобразовавших современную технику: ядерная энергетика (И. В. Курчатов), квантовая электроника (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс), микроэлектроника, радиолокация и др. возникли и развились в результате достижений физики.

2. Предмет и структура физики

Греческое слово физика (от цэуйт - природа) означает науку о природе. В эпоху ранней греч. культуры наука была еще нерасчленённой и охватывала всё, что было известно о земных и небесных явлениях. В Англии до настоящего времени за Ф. сохранилось наименование «натуральной философии». По мере накопления фактич. материала и его научного обобщения, по мере дифференциации научных знаний и методов исследования из натурфилософии, как общего учения о природе, выделились астрономия, физика, химия, биология, геология, технич. науки.

Границы, отделяющие Ф. от других дисциплин, никогда не были чёткими. Круг явлений, изучавшихся Ф., в разные периоды её истории изменялся. Напр., в 18 в. кристаллы изучались только минералогией; в 20 в. строение и физич. свойства кристаллов являются предметом кристаллофизики. Поэтому попытки дать строгое определение Ф. как науки путём ограничения класса изучаемых ею объектов оказываются неудачными. У любого объекта имеются такие общие свойства (механические, электрические и т. д.), к-рые служат предметом изучения Ф. Вместе с тем было бы неправильно сохранить и старое определение Ф. как науки о природе. Ближе всего к истине определение современной Ф. как науки, изучающей общие свойства и законы движения вещества и поля. Это определение даёт возможность уяснить взаимоотношения Ф. с другими естественными науками. Оно объясняет, почему Ф. играет столь большую роль в современном естествознании.

Ф. середины 20 в. можно разделить: по изучаемым объектам - на молекулярную Ф., атомную Ф., электронную Ф. (включая учение об электромагнитном поле), ядерную Ф., физику элементарных частиц, учение о гравитационном поле; а по процессам и явлениям - на механику и акустику, учение о теплоте, учение об электричестве и магнетизме, оптику, учение об атомных и ядерных процессах. Эти два способа подразделения Ф. частично перекрываются, поскольку между объектами и процессами имеется определённое соответствие. Важно подчеркнуть, что между различными разделами Ф. также нет резких граней. Напр., оптика в широком смысле слова (как учение об электромагнитных волнах) может рассматриваться как часть электричества, Ф. элементарных частиц обычно относят к ядерной Ф.

Наиболее общими теориями современной Ф. являются: теория относительности, квантовая механика, статистич. Ф., общая теория колебаний и волн. По методам исследования различают экспериментальную Ф. и теоретич. Ф. По целям исследования часто выделяют также прикладную Ф.

Широкая разветвлённость современной Ф., её тесная связь с другими отраслями естествознания и техникой обусловили появление многих пограничных дисциплин. В течение 19 и 20 вв. в пограничных областях образовался ряд научных дисциплин: астрофизика, геофизика, биофизика, агрофизика, химич. Ф.; развились физико-технич. науки: тепло-физика, электрофизика, радиофизика, металлофизика, прикладная оптика, электроакустика и др.

Такой раздел Ф., как механика, в 19 в. выделился в самостоятельную науку со своими специфич. методами и областями применения. Современная механика, охватывающая механику точки и системы точек, теорию упругости, гидродинамику и аэродинамику, составляет основу учения о механизмах, о прочности и устойчивости сооружений, основу авиации и гидротехники.

3. Основные этапы истории развития физики

Предыстория физики . Наблюдение физических явлений происходило еще в глубокой древности. В то время процесс накопления фактически знаний еще не был дифференцирован; физические, геометрические и астрономические представления развивались совместно.

Экономическая необходимость отделять земельные участки и измерять время привела к развитию измерений пространства и времени еще в древности - в Египте, Китае, Вавилонии и Греции. Система-тич. накопление фактов и попытки их объяснения и обобщения, предшествовавшие созданию Ф. (в современном понимании слова), особенно интенсивно происходили в эпоху греческо-римской культуры (6 в. до н. э.- 2 в. н. э.). В эту эпоху зародились первоначальные идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была создана гео-центрич. система мира (Птолемей), появились зачатки гелиоцентрич. системы (Аристарх Самосский), были установлены нек-рые простые законы статики (правила рычага, центра тяжести), получены первые результаты прикладной оптики (изготовлены зеркала, открыт закон отражения света, обнаружено явление преломления), открыты простейшие начала гидростатики (закон Архимеда). Простейшие явления магнетизма и электричества были известны еще в глубокой древности.

Учение Аристотеля подвело итог знаниям предшествующего периода. Однако физика Аристотеля, основанная на принципе целесообразности природы, хотя и включала отдельные верные положения, вместе с тем отвергала передовые идеи предшественников, в т. ч. идеи гелиоцентрич. астрономии и атомизма.

Канонизированное церковью учение Аристотеля превратилось в тормоз дальнейшего развития науки. После тысячелетнего застоя и бесплодия наука возродилась лишь в 15-16 вв. в борьбе против взглядов Аристотеля. В 1543 Н. Коперник напечатал сочинение «Об обращениях небесных сфер»; опубликование его было революционным актом, с к-рого «начинает свое летосчисление освобождение естествознания от теологии» (Энгельс Ф., Диалектика природы, 1955, стр. 5). Возрождение науки было обусловлено гл. обр. потребностями производства в мануфактурный период. Великие географич. открытия, в частности открытие Америки, содействовали накоплению множества новых наблюдений и ниспровержению старых предрассудков. Развитие ремёсел, судоходства и артиллерии создало стимулы для научного исследования. Научная мысль сосредоточилась на задачах строительства, гидравлики и баллистики, усилился интерес к математике. Развитие техники создало возможности для эксперимента. Леонардо да Винчи поставил целую серию физич. вопросов и пытался разрешить их путём опыта. Ему принадлежит изречение: «опыт никогда не обманывает, обманчивы только наши суждения».

Первый период развития физики начинается с трудов Г. Галилея. Именно Галилей был творцом экспериментального метода в Ф. Тщательно продуманный эксперимент, отделение второстепенных факторов от главного в изучаемом явлении, стремление к установлению точных количественных соотношений между параметрами явления - таков метод Галилея. С помощью этого метода Галилей заложил первоначальные основы динамики. Он сумел показать, что не скорость, а ускорение есть следствие внешнего воздействия на тело. В своём труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки...» (1638) Галилей убедительно обосновывает этот вывод, представляющий собой первую формулировку закона инерции, устраняет видимые противоречия. Он доказывает на опыте, что ускорение свободного падения тел не зависит от их плотности и массы. Рассматривая движение брошенного тела, Галилей находит закон сложения движений и по существу высказывает положение о независимости действия сил. В «Беседах» излагаются также сведения о прочности тел.

В трудах Галилея и Б. Паскаля (а ещё ранее - голл. учёного С. Стевина) были заложены основы гидростатики. Галилею принадлежат важные открытия и в других областях Ф. Он впервые подтверждает на опыте явление поверхностного натяжения, изученное много позже. Галилей обогащает прикладную оптику своим телескопом, а его термометр привёл к количественному изучению тепловых явлений.

Таким образом, в 17 в. были созданы основы механики и начаты исследования в важнейших направлениях Ф.- в учении об электричестве и магнетизме, о теплоте, физич. оптике и акустике.

В 18 в. продолжается дальнейшая разработка всех областей Ф. Ньютоновская механика становится разветвлённой системой знаний, охватывающей законы движения земных и небесных тел. Трудами Л. Эйлера, франц. учёного А. Клеро и др. создаётся небесная механика, доведённая до высокого совершенства П. Лапласом. Открытие нем. астрономом И. Галле в 1846 новой планеты - Нептуна, явилось свидетельством мощи небесной механики.

Важным стимулом для развития механики послужили запросы мануфактурного, а затем машинного производства. Л. Эйлер закладывает основы динамики твёрдого тела. Ж. Д"Аламбер разрабатывает динамику несвободных систем. Д. Бернулли, Л. Эйлер и Ж. Лагранж создают основы гидродинамики идеальной жидкости. Ш. Кулон исследует законы трения и кручения. В «Аналитической механике» Лагранжа уравнения механики представлены в столь обобщённой форме, что она делает их применимыми и к немеханич. процессам, напр. электромагнитным (при соответствующем истолковании входящих в них функций). В своём развитом виде механика становится основой машинной техники того времени, в частности гидравлики.

В других разделах Ф. в 18 в. происходит дальнейшее накопление опытных данных, формулируются простейшие законы. Французский физик Ш. Дюфе открывает существование двух родов электричества. В. Франклин формулирует закон сохранения заряда. В середине 18 в. был создан первый электрич. конденсатор (лейденская банка П. Мушенбрука в Голландии), давший возможность накапливать большие электрич. заряды, что облегчило исследование закона их взаимодействия. Этот закон, являющийся основой электростатики, был открыт независимо друг от друга Г. Кавендишем и Дж. Пристли (Англия) и Ш. Кулоном (Франция). С помощью крутильных весов Кулон нашёл не только закон взаимодействия неподвижных зарядов, но и аналогичный закон для магнитных полюсов. Таким же прибором Кавендиш измерил гравитационную постоянную. И. Вильке (Германия) открыл электростатич. индукцию. Возникло учение об атмосферном электричестве. В. Франклин в 1752 и годом позднее М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман изучали грозовые разряды и доказали электрич. природу молнии. В оптике продолжалось совершенствование объектива телескопа (Л. Эйлер, англ. учёный Дж. Дол-лонд). Трудами П. Бугера (Франция) и И. Ламберта (Германия) начала создаваться фотометрия. Англ. учёные В. Гершель и У. Волластон открыли инфракрасные лучи, а нем. учёный И. Риттер - ультрафиолетовые. Большое внимание стали уделять явлениям люминесценции. Стали разрабатываться методы термометрии, устанавливаться термо-метрич. шкалы. Развитие химии и металлургии стимулировало разработку учения о теплоте. Дж. Блэк (Англия) установил различие между температурой и количеством тепла, открыв скрытую теплоту плавления льда. Было сформулировано понятие теплоёмкости, измерены теплоёмкости различных веществ, основана калориметрия. Ломоносов предсказал существование абсолютного нуля. Были начаты исследования теплопроводности и теплового излучения, изучение теплового расширения тел. В этот же период была создана и начала совершенствоваться паровая машина.

Теория относительности является одной из наиболее общих теорий современной Ф. Не менее важным и действенным обобщением физич. фактов и закономерностей явилась квантовая механика (см.), созданная в конце 1-й четверти 20 в. в результате исследований взаимодействия излучения с частицами вещества и изучения состояний внутриатомных электронов.

Еще в конце 19 в. выяснилось, что закон распределения энергии теплового излучения по спектру, выведенный на основе классич. закона о равном распределении энергии по степеням свободы, противоречит действительности. Согласно закону Рэлея - Джинса, интенсивность излучения должна быть пропорциональна температуре и квадрату частоты излучения. Отсюда получался явно не соответствующий действительности вывод, что любое тело должно испускать достаточно интенсивный видимый свет при любой температуре. Немецкий учёный М. Планк в 1900 нашёл соответствующий опыту закон распределения энергии в спектре теплового излучения, сделав новое предположение, что атомы вещества при излучении теряют энергию только определёнными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения; коэфициент пропорциональности (постоянная Планка) должен быть универсальной постоянной. Гипотеза Планка о квантовании энергии излучения явилась исходным пунктом квантовой теории. Вслед затем Эйнштейн (в 1905) сумел объяснить законы фотоэффекта, предположив, что поле излучения представляет собой газ особых частиц света - фотонов. Фотонная теория света позволила правильно объяснить и другие явления взаимодействия излучения с частицами вещества. Таким образом, оказалось, что свет обладает двойственной природой - корпускулярно-волновой. Квантование излучения, испускаемого или поглощаемого атомами вещества, привело к заключению, что энергия внутриатомных движений может также изменяться скачкообразно. Это следствие находилось в противоречии с теми моделями атома, к-рые создавались до 1913.Наиболее совершенной моделью атома к этому времени была ядерная модель Резерфорда, построенная на учёте известных тогда фактов прохождения быстрых а -частиц сквозь вещество. В этой модели электроны двигались вокруг атомного ядра по законам классич. механики и непрерывно излучали свет по законам классич. электродинамики, что находилось в противоречии с фактом квантования излучения. Первый шаг по пути разрешения этого противоречия сделал в 1913 датский учёный Н. Бор, к-рый в своей модели атома сохранил классич. орбиты для электронов в стационарных состояниях атома, но сделал предположение о том, что дозволены не все мыслимые орбиты, а лишь дискретный ряд их. Поскольку с каждой орбитой связано определённое значение энергии и момента количества движения, то эти величины также оказались квантованными. При переходе с одной дозволенной орбиты на другую атом испускает или поглощает фотон. Дискретность энергии атома нашла прямое подтверждение в закономерностях атомных спектров и в явлениях столкновений атомов с электронами.

За последнее 20-летие число известных элементарных частиц возросло в несколько раз. Помимо электронов и позитронов, протонов и нейтронов (а также фотонов), открыто несколько видов мезонов. Доказано существование нейтральной частицы - нейтрино. После 1953 сделаны новые открытия, имеющие принципиальное значение: обнаружены тяжёлые нестабильные частицы с массами, большими масс нуклонов,- т. н. гипероны, к-рые рассматриваются как возбуждённые состояния нуклонов. В 1955 обнаружено существование антипротона.

Все эти открытия свидетельствуют о том, что любой вид элементарных частиц способен к превращениям, что элементарные частицы могут возникать («рождаться») и исчезать, превращаясь в частицы другого вида. Это доказывает наличие генетич. связи между различными элементарными частицами, и ближайшая задача этой области Ф. состоит в разработке их взаимосвязи. Эти факты говорят также о том, что элементарные частицы отнюдь не элементарны, в абсолютном смысле слова, а обладают сложной структурой, к-рую еще предстоит раскрыть. Современная Ф. подтвердила предсказание В. И. Ленина о неисчерпаемости электрона.Современная теория элементарных частиц трактует их как проявления различных полей - электромагнитного, электронно-позитронного, мезонных и т. д. Основанием для такой трактовки является указанная выше способность частиц к превращениям, к возникновению и исчезновению с появлением частиц другого поля (или других полей). Замечательный результат этой теории - вывод о том, что и при отсутствии частиц данного типа в данной области пространства сохраняется т. н. нулевое (наименьшее) поле вакуума данного типа, проявляющееся в ряде эффектов.

При непонимании этих основных положений научного материализма каждый новый этап, открывавший новые объекты и новые стороны в явлениях природы, воспринимался частью физиков как полное отрицание теории, построенной на обширном фактич. материале, как опровержение материальности мира. В действительности речь идёт всегда о новом развитии теории, об охвате новой стороны явлений. Непривычность новых свойств материи приводилась идеалистами как основание для отрицания самой материи, тогда как на самом деле происходит пополнение понятия материи более многообразным содержанием. Так, напр., установленный квантовой теорией двойственный корпускулярно-волновой характер микрочастиц истолковывался как довод в пользу «призрачности» материи, взаимосвязь массы и энергии - как отрицание материи как носителя энергии. Непривычность новых представлений используется нек-рыми философами-идеалистами для отрицания самой возможности познания сущности вещей и явлений. Этой превратной картине действительности, пользующейся влиянием и в соседних с Ф. областях-биологии и астрономии, противостоит научно обоснованная философия диалектич. материализма.

4. Связь современной физики с техникой и другими естественными науками

Ф. выросла из потребностей техники и непрерывно использует её опыт; техника в большой степени определяет тематику физич. исследований. Но также верно (в особенности для современной Ф.) и то, что техника вырастает из Ф., что в физич. лабораториях создаются новые отрасли техники и новые методы решения технич. задач. Достаточно вспомнить электрич. машины, радиотехнику и прикладную электронику с постоянно прогрессирующими и изменяющимися средствами: искрой, вакуумными лампами, полупроводниковыми приборами. Напр., полупроводники находят всё более разнообразное применение в технике в виде выпрямителей переменного тока, фотосопротивлений и термисторов, в сигнализации, автоматике и телеуправлении, в виде детекторов, усилителей и генераторов радиоколебаний, люминесцентных источников света, катодов вакуумных приборов, а в последнее время в виде приборов для использования энергии тепла, света и радиоактивных излучений.

Бурный расцвет техники в 20 в. самым непосредственным образом связан с развитием Ф. Если в 19 в. между физич. открытием и первым его технич. применением проходили десятки лет, то теперь этот срок сократился до нескольких лет. Технич. Ф. с её многочисленными разделами - это громадный участок современной науки. Взаимосвязь Ф. и техники - основной путь развития той и другой. Никогда эта связь не носила такого всеобъемлющего характера, как в настоящее время. Научные физич. институты всё полнее и успешнее сочетают в своей тематике физич. теорию, экспериментальное изучение и технич. применение новых фактов и обобщений. Сотни отраслевых лабораторий и институтов в промышленности разрабатывают физич. и технологич. вопросы по всему фронту современной техники.

Физич. методы исследования получили решающее значение для всех естественных наук. Электронный микроскоп на два порядка превысил границы, поставленные оптич. методами исследования, и дал возможность наблюдать отдельные крупные молекулы. Рентгеновский анализ раскрыл атомное строение вещества и структуру кристаллов. Уточнённый спектральный анализ оказался действенным средством исследования в геологии и органич. химии. Масс-спектрограф измеряет массы атомов и молекул с небывалой точностью. Радиотехнич. и осциллографич. методы позволяют наблюдать процессы, протекающие в миллионные и миллиардные доли секунды. Возможность наблюдения за перемещением химич. элементов и даже отдельных атомов даёт метод радиоактивных изотопов, проникший уже во все области знания. Ядерные излучения видоизменяют течение биологич. процессов и изменяют наследственные признаки.

Все эти приёмы далеко выходят за пределы Не только непосредственного наблюдения, но и тех рамок, к-рые ставили измерительные приборы 19 в. Электронно-счётные машины настолько упростили математич. расчёты, что строгому расчёту становятся доступны самые сложные явления, обусловленные сотнями различных факторов.

Значение современной Ф. для всего естествознания сильно возросло. Теория относительности и ядерная Ф. сделались основой астрофизики - важнейшего раздела астрономии. В свою очередь, выводы астрофизики вносят новые черты в Ф. Квантовая теория легла в основу учения о химич. реакциях, неорганич. и органич. химии. Идеи ядерной Ф. становятся неотъемлемой частью геологич. концепций. Всё теснее взаимное влияние Ф. и биологии; биофизика в связи с этим вырастает в самостоятельную науку.

5. Роль тепловых машин в жизни человека

В настоящее время невозможно назвать ни одну область производственной деятельности человека, где бы ни использовались тепловые установки. Космическая техника, металлургия, станкостроение, транспорт, энергетика, сельское хозяйство, химическая промышленность, производство пищевых продуктов – вот далеко не полный перечень отраслей народного хозяйства, где приходится решать научные и технические вопросы, связанные с тепло установками.

В тепловых двигателях и тепловых установках происходит преобразования теплоты в работу или работы в теплоту.

Паровая турбина-это тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая - в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно соединяется с валом рабочей машины, который может быть электрогенератор, гребной вент и др.

Применение тепловых двигателей в железнодорожном транспорте особенно велико, т.к. с появление тепловозов на железнодорожных магистралях облегчило перевоз основных масс грузов и пассажиров во всех направлениях. Тепловозы появились на советских железных дорогах более полувека назад по инициативе В.И. Ленина. Дизели приводят в движение тепловоз непосредственно, а с помощью электрической передачи – генераторов электрического тока и электродвигателей. На одном валу с каждым дизелем тепловоза находится генератор постоянного электрического тока. Вырабатываемый генератором электрический ток поступает в тяговые электродвигатели, находящиеся на осях тепловоза. Тепловоз сложнее электровоза и стоит дороже, зато он не требует контактной сети, тяговых подстанций. Тепловоз можно использовать везде, где только уложены железнодорожные пути, и в этом его огромное преимущество. Дизель – экономичный двигатель, запаса нефтетоплива на тепловозе хватает на долгий путь. Для перевозки крупногабаритных и тяжелых грузов построили тяжелые грузовые автомобили, где вместо бензиновых двигателей появились более мощные дизельные двигатели. Такие же двигатели работают на тракторах, комбайнах, судах. Применение этих двигателей намного облегчает работу человека. В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель предложил двигатель с воспламенением от сжатия, который мог бы работать не только на бензине, но и на любом другом топливе: керосине, нефти. Также двигатели назвали дизелями.

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Еще две с лишним тысячи лет назад, в 3 веке до н. эры, великим греческим механиком и математиком Архимедом построившим пушку, которая стреляла с помощью пара.

Сегодня в мире насчитывается сотни миллионов тепловых двигателей. Например, двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д. Наблюдение, что изменения температуры тел постоянно сопровождаются изменениями их объемов, относятся уже к отдаленной древности, тем не менее, определение абсолютной величины отношения этих изменений принадлежит только новейшему времени. До изобретения термометров о подобных определениях, разумеется, нельзя было и думать, но зато с развитием термометрии точное исследование этой связи становилось совершенно необходимым. Сверх того, в конце прошлого XVIII и в начале нынешнего XIX века накопилось множество различных явлений, побуждавших заняться тщательными измерениями расширения тел от теплоты; таковы были: необходимость поправок барометрических показаний при определении высот, определение астрономической рефракции, вопрос об упругости газов и паров, постепенно возраставшее применение металлов для научных приборов и технических целей и т. д.

Прежде всего, естественно, обратилась к определению расширения воздуха, которое по своей величине больше всего бросалось в глаза и представлялось наиболее легко измеримым. Множество физиков вскоре получило большое количество результатов, но частично довольно разноречивых. Амонтон для регулирования своего нормального термометра измерил расширение воздуха при нагревании его от 0° до 80° R и сравнительно точно определил его в 0,380 части его объема при 0°. С другой стороны, Нюге в 1705 г. получил при посредстве несколько видоизмененного прибора один раз число, вдвое большее, а другой раз - число, даже в 16 раз большее. Ла-Гир (1708) тоже получил вместо амонтоновского числа 1,5 и даже 3,5. Гоуксби (1709) нашел число 0,455; Крюкиус (1720) - 0,411; Полени - 0,333; Бонн - 0,462; Мушенбрек - 0,500; Ламбер («Pyromйtrie», стр. 47)-0,375; Делюк - 0,372; И. Т. Мейер - 0,3755 и 0,3656; Соссюр - 0,339; Вандермонд, Бертолле и Монж получили (1786) - 0,4328. Пристли, получивший для расширения воздуха значительно отклоняющееся от истинного число 0,9375, утверждал, сверх того, что кислород, азот, водород, угольная кислота, пары азотной, соляной, сернистой, плавиковой кислот и аммиака - все они отличаются по своему расширению от воздуха. Г. Г. Шмидт («Green"s Neues Journ.», IV, стр. 379) получил для расширения воздуха число 0,3574, для кислорода 0,3213, наконец, для водорода, угольной кислоты и азота 0,4400, 0,4352, 0,4787. Морво и Дювернуа примкнули к мнению Пристли, но вообще нашли, что расширение газов не вполне пропорционально изменению температуры.

Теоретический материал

С давних времён человек хотел освободиться от физических усилий или облегчить их при перемещении чего-либо, располагать большей силой, быстротой.

Создавались сказания о коврах самолётах, семимильных сапогах и волшебниках, переносящих человека за тридевять земель мановением жезла. Таская тяжести, люди изобрели тележки, ведь катить легче. Потом они приспособили животных – волов, оленей, собак, больше всего лошадей. Так появились повозки, экипажи. В экипажах люди стремились к комфорту, всё более совершенствуя их.

Стремление людей увеличить скорость ускоряло и смену событий в истории развития транспорта. Из греческого «аутос» – «сам» и латинского «мобилис» – «подвижный» в европейских языках сложилось прилагательное «самодвижущийся», буквально «авто – мобильный».

Оно относилось к часам, куклам-автоматам, ко всяким механизмам, в общем, ко всему, что служило как бы дополнением «продолжением», «усовершенствованием» человека. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара и применяли к безрельсовым повозкам термин «автомобиль».

Почему же счёт возраста автомобиля ведут от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретённых и построенных в 1885-1886 годах? Как бы забыв о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах. Дело в том, что ДВС произвёл подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил своё главенствующее положение. Доля автомобилей с ДВС составляет на сегодня более 99,9% мирового автомобильного транспорта. <Приложение 1>

Основные части теплового двигателя

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. <Приложение 3> Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.

Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Рисунок 1

На Рисунке 1 изображены графически процессы расширения газа (линия АВ) и сжатия до первоначального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (AF > 0) и численно равна площади фигуры ABEF. Работа газа при сжатии отрицательна (так как AF < 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).

Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия тепловой машины

Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q1 - |Q2|. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины.

Предыстория физики . Наблюдение физич. явлений происходило еще в глубокой древности. В то время процесс накопления фактических знаний еще не был дифференцирован: физические, геометрические и астрономические представления развивались совместно.

Систематическое накопление фактов и попытки их объяснения и обобщения, предшествовавшие созданию физики (в современном понимании слова), особенно интенсивно происходило в эпоху греческо-римской культуры (6 в. до н. э. - 2 в. н. э.). В эту эпоху зародились первоначальные идеи об атомном строении вещества (Демокрит, Эпикур, Лукреций), была создана геоцентрическая система мира (Птолемей), появились зачатки гелиоцентрической системы (Аристарх Самосский), были установлены некоторые простые законы статики (правила рычага, центра тяжести), получены первые результаты прикладной оптики (изготовлены зеркала, открыт закон отражения света, обнаружено явление преломления), открыты простейшие начала гидростатики (закон Архимеда). Простейшие явления магнетизма и электричества были известны еще в глубокой древности.

Учение Аристотеля (389 – 322 до н.э.) подвело итог знаниям предшествующего периода 1 . Канонизированное церковью учение Аристотеля превратилось в тормоз дальнейшего развития физической науки. После тысячелетнего застоя и бесплодия физика возродилась лишь в 15-16 вв. в борьбе против схоластической философии. Возрождение науки было обусловлено главным образом потребностями производства в мануфактурный период. Великие географические открытия, в частности открытие Америки, содействовали накоплению множества новых наблюдений и ниспровержению старых предрассудков. Развитие ремёсел, судоходства и артиллерии создало стимулы для научного исследования . Научная мысль сосредоточилась на задачах строительства, гидравлики и баллистики, усилился интерес к математике. Развитие техники создало возможности для эксперимента . Леонардо да Винчи поставил целую серию физических вопросов и пытался разрешить их путём опыта. Ему принадлежит изречение: «опыт никогда не обманывает, обманчивы только наши суждения» .

Однако в 15-16 веках отдельные физические наблюдения и опытные исследования носили случайный характер . Лишь 17 век положил начало систематическому применению экспериментального метода в физике и непрекращающемуся с тех пор росту физического знания.

Первый период развития физики , получивший название классического, начинается с трудов Галилео Галилея (1564 – 1642) . Именно Галилей был творцом экспериментального метода в физике . Тщательно продуманный эксперимент, отделение второстепенных факторов от главного в изучаемом явлении, стремление к установлению точных количественных соотношений между параметрами явления - таков метод Галилея. С помощью этого метода Галилей заложил первоначальные основы динамики . Галилей опроверг ошибочные утверждения механики Аристотеля: он, в частности, сумел показать, что не скорость, а ускорение есть следствие внешнего воздействия на тело. В своём труде «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки...» (1638) Галилей убедительно обосновывает этот вывод, представляющий собой первую формулировку закона инерции , устраняет видимые противоречия. Он доказывает на опыте, что ускорение свободного падения тел не зависит от их плотности и массы. Рассматривая движение брошенного тела, Галилей находит закон сложения движений и по существу высказывает положение о независимости действия сил. В «Беседах» излагаются также сведения о прочности тел. Им были сформулированы также идеи об относительности движения (принцип относительности), движения тел по наклонной плоскости (фактически он открыл два первых закона Ньютона).

В трудах Галилея и Блеза Паскаля были заложены основы гидростатики . Галилею принадлежат важные открытия и в других областях физики. Он впервые подтверждает на опыте явление поверхностного натяжения, изученное много позже. Галилей обогащает прикладную оптику своим телескопом, а его термометр привёл к количественному изучению тепловых явлений .

В 1-й половине 17 века возникает физическое учение о газах, имевшее большое практическое значение. Ученик Галилея Э. Торричелли открывает существование давления воздуха и создаёт первый барометр . О. Герике изобретает воздушный насос и окончательно опровергает аристотелевское утверждение о «боязни пустоты». Р. Бойль и несколько позднее Э. Мариотт исследуют упругость газов и открывают известный под их именем закон. В. Снеллиус (Голландия) и Р. Декарт (Франция) открывают закон преломления света. К этому же времени относится создание микроскопа. Наблюдения над магнитами (в кораблевождении) и над электризацией при трении дают ценные сведения в области электростатики и магнитостатики, зачинателем к-рых следует признать английского естествоиспытателя У. Гильберта .

Ещё богаче событиями 2-я половина 17 века. «Беседы» Галилея положили начало исследованиям основ механики . Изучение криволинейного движения (X. Гюйгенс ) подготовило открытие основного закона механики - соотношения между силой, массой и ускорением, впервые сформулированного И. Ньютоном в его «Математических началах натуральной философии» (1687) . Ньютоном был установлен и основной закон динамики системы (равенство действия противодействию), в котором нашли своё обобщение предшествующие исследования удара тел (X. Гюйгенс). Впервые выкристаллизовываются основные понятия физики -- понятия пространства и времени .

Исходя из законов движений планет, установленных Кеплером, Ньютон в «Началах» впервые формулирует закон всемирного тяготения , который пытались найти многие учёные 17 века. Ньютон подтвердил этот закон, вычислив ускорение Луны на её орбите исходя из измеренного в 70-х годах 17 века значения ускорения силы тяжести. Он объяснил также возмущения движения Луны и причину морских приливов и отливов. Значение этого открытия Ньютона невозможно переоценить. Оно показало современникам могущество науки. Оно изменило всю прежнюю картину мироздания .

В это же время X. Гюйгенс и Г. Лейбниц формулируют закон сохранения количества движения (ранее высказанный Декартом в неточной форме) и закон сохранения живых сил. Гюйгенс создаёт теорию физического маятника и конструирует часы с маятником. Один из разностороннейших учёных 17 века Р. Гук (Англия) открывает известный под его именем закон упругости . М. Мерсенн (Франция) закладывает основы физической акустики ; он изучает звучание струны и измеряет скорость звука в воздухе.

В эти годы, в связи со всё большим применением зрительных труб, быстро развивается геометрическая оптика и закладываются основы физической оптики . Ф. Гримальди (Италия) в 1665 открывает диффракцию света. Ньютон разрабатывает своё учение о дисперсии и интерференции света. Он выдвигает гипотезу световых корпускул. С оптических исследований Ньютона берёт начало спектроскопия. О. Рёмер (Дания) в 1672 измеряет скорость света. Современник Ньютона Гюйгенс разрабатывает первоначальные основы волновой оптики , формулирует известный под его именем принцип распространения волн (световых), исследует и объясняет явление двойного лучепреломления в кристаллах 2 .

Таким образом, в 17 веке были созданы основы механики и начаты исследования в важнейших направлениях физики -- в учении об электричестве и магнетизме, о теплоте, физической оптике и акустике.

В 18 в. продолжается дальнейшая разработка всех областей физики. Ньютоновская механика становится разветвлённой системой знаний, охватывающей законы движения земных и небесных тел. Трудами Л. Эйлера , франц. учёного А. Клеро и др. создаётся небесная механика , доведённая до высокого совершенства П. Лапласом . В своём развитом виде механика становится основой машинной техники того времени, в частности гидравлики.

В других разделах физики в 18 веке происходит дальнейшее накопление опытных данных, формулируются простейшие законы. В. Франклин формулирует закон сохранения заряда . В середине 18 века был создан первый электрический конденсатор (лейденская банка П. Мушенбрука в Голландии), давший возможность накапливать большие электрические заряды, что облегчило исследование закона их взаимодействия. Этот закон, являющийся основой электростатики, был открыт независимо друг от друга Г. Кавендишем и Дж. Пристли (Англия) и Ш. Кулоном (Франция). Возникло учение об атмосферном электричестве . В. Франклин в 1752 и годом позднее М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман изучали грозовые разряды и доказали электрическую природу молнии.

В оптике начала создаваться фотометрия: английские учёные В. Гершель и У. Волластон открыли инфракрасные лучи , а немецкий учёный И. Риттер - ультрафиолетовые . Развитие химии и металлургии стимулировало разработку учения о теплоте : было сформулировано понятие теплоёмкости, измерены теплоёмкости различных веществ, основана калориметрия. Ломоносов предсказал существование абсолютного нуля. Были начаты исследования теплопроводности и теплового излучения, изучение теплового расширения тел. В этот же период была создана и начала совершенствоваться паровая машина .

Правда, теплоту представляли себе в виде особой невесомой жидкости - теплорода. Аналогичным образом наэлектризованность тел объяснялась при помощи гипотезы электрической жидкости, магнитные явления - магнитной жидкостью. В целом, в течение 18 века модели невесомой жидкости проникли во все разделы физики. В их существовании не сомневалось подавляющее большинство исследователей! Это было следствием убеждения, что различные физические явления - тепловые, электрические, магнитные, оптические - между собой не связаны, независимы друг от друга . Полагали, что каждое явление имеет своего «носителя», особую субстанцию. Лишь немногие передовые умы, в числе которых были Эйлер и Ломоносов, отрицали наличие невесомых материй и усматривали в тепловых явлениях и свойствах газов скрытое, но непрекращающееся движение мельчайших частиц. В этом различии мнений проявлялось различие физических «картин мира» - ньютоновской и картезианской , возникших еще в 17 веке.

Последователи Декарта (Картезия) рассматривали все физические явления как разнообразные движения одной и той же первоматерии, единственными свойствами которой являются протяжённость и инертность. Он полагал, что в результате различных движений и столкновений частей первоматерии образуются частицы вещества (корпускулы) различного объёма и формы, между которыми двигаются частицы наиболее утонченной формы материи - эфира. Задачу физики последователи Декарта усматривали в создании чисто механических моделей явлений . Всемирное тяготение, электрические и магнитные взаимодействия, химические реакции - всё объяснялось различными вихрями в эфире, связывающими или разъединяющими частицы вещества.

Однако эта картина мира встречала возражения еще в середине 17 века. Наиболее убедительно её неудовлетворительность была показана Ньютоном в «Началах». Ньютон доказал, что объяснение всемирного тяготения, данное картезианцами, противоречит фактам: вихри в эфире, к-рые, по мнению Декарта, сплошь заполняют всю солнечную систему и увлекают с собой планеты, исключают возможность свободного прохождения комет сквозь солнечную систему без потери ими движения.

Картина мира Ньютона основана на представлении об атомах, разделённых пустотой и мгновенно взаимодействующих через пустоту силами притяжения или отталкивания (дальнодействие). Силы , по Ньютону, являются первичным, изначальным свойством тех или иных видов частиц ; такая сила, как тяготение, свойственна всем частицам вещества. В отличие от картезианцев, Ньютон считал возможным несохранение механического движения в природе. Ньютон усматривал главную задачу физики в отыскании сил взаимодействия между телами . Он не исключал и существования эфира, но рассматривал его как тонкий упругий газ, заполняющий поры тел и взаимодействующий с веществом.

Борьба ньютоновских и картезианских идеи длилась в течение почти двух веков. Одни и те же законы природы истолковывались по-разному сторонниками этих двух направлений. В 18 веке взгляды Ньютона восторжествовали в физике и оказали глубокое влияние на её дальнейшее развитие. Они способствовали внедрению математических методов в физику . Вместе с тем они на 100 лет укрепили идею дальнодействия . Картезианские тенденции снова возродились во 2-й половине 19 века , после создания волновой теории света, открытия электромагнитного поля и закона сохранения энергии.

Второй период истории физики начинается в первом десятилетии 19 века. В 19 веке были сделаны важнейшие открытия и теоретические обобщения, придавшие физике характер единой целостной науки . Единство различных физических процессов нашло выражение в законе сохранения энергии . Решающую роль в экспериментальной подготовке этого закона сыграли открытие электрического тока и исследование его многообразных действий, а также изучение взаимных превращений теплоты и механической работы. В 1820 X. К. Эрстед (Дания) открыл действие электрического тока на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда послужил импульсом для исследований А. Ампера, Д. Араго и др. Закон взаимодействия двух электрических токов, найденный Ампером, стал основой электродинамики . При живейшем участии других исследователей Ампер в короткое время выяснил связь магнитных явлений с электрическими , сведя, в конце концов, магнетизм к действиям токов. Так прекратила своё существование идея магнитных жидкостей . В 1831 Фарадей открыл электромагнитную индукцию, осуществив, таким образом, свой замысел: «превратить магнетизм в электричество».

На этом этапе развития значительно усилилось взаимное влияние физики и техники . Развитие паровой техники ставило многочисленные проблемы перед физикой. Физические же исследования взаимного превращения механической энергии и теплоты, увенчавшиеся созданием термодинамики , послужили основой для усовершенствования тепловых двигателей. После открытия электрического тока и его законов начинается развитие электротехники (изобретение телеграфа, гальванопластики, динамомашины), которая, в свою очередь, способствовала прогрессу электродинамики .

В 1-й половине 19 века происходит крушение идеи невесомых субстанций . Этот процесс совершался медленно и с большим трудом. Первую брешь в господствовавшем тогда физическом мировоззрении пробила волновая теория света (англ. учёный Т. Юнг , франц. учёные О. Френель и Д. Араго ) 3 . Вся совокупность явлений интерференции, диффракции и поляризации света, в особенности явления интерференции поляризованных лучей, не могла быть теоретически истолкована с корпускулярной точки зрения и в то же время находила полное объяснение в волновой теории , согласно которой свет представляет собой поперечные волны, распространяющиеся в среде (в эфире). Таким образом, световое вещество было отвергнуто еще во втором десятилетии 19-го века.

Более живучим , по сравнению со световым веществом и магнитной жидкостью, оказалось представление о теплороде . Хотя опыты Б. Румфорда , доказавшие возможность получения неограниченного количества теплоты за счёт механической работы, находились в явном противоречии с идеей особой тепловой субстанции, последняя продержалась вплоть до середины века; казалось, что только с её помощью можно объяснить скрытую теплоту плавления и испарения. Заслуга создания кинетической теории, зачатки которой относятся еще ко временам Ломоносова и Д. Бернулли, принадлежала английским учёным Дж. Джоулю, У. Томсону (Кельвину) и немецкому учёному Р. Клаузиусу .

Так, в результате многосторонних и длительных опытов, в условиях трудной борьбы с отжившими представлениями была доказана взаимная превратимость различных физических процессов и тем самым единство всех известных тогда физических явлений .

Непосредственное доказательство сохранения энергии при любых физических и химических превращениях было дано в трудах Ю. Майера (Германия), Дж. Джоуля и Г. Гельмгольца . После того как закон сохранения энергии завоевал всеобщее признание (в 50-x годах 19 века), он стал краеугольным камнем современного естествознания. Закон сохранения энергии и принцип изменения энтропии [Р. Клаузиус, У. Томсон (Кельвин)] составили основу термодинамики ; они формулируются обычно как первое и второе начала термодинамики.

Доказательство эквивалентности теплоты и работы подтвердило взгляд на теплоту как на неупорядоченное движение атомов и молекул . Трудами Джоуля, Клаузиуса, Максвелла, Больцмана и других была создана кинетическая теория газов . Уже на первых этапах развития этой теории, когда молекулы еще рассматривались как твёрдые упругие шарики, удалось раскрыть кинетический смысл таких термодинамических величин, как температура и давление. Кинетическая теория газов дала возможность рассчитать средние пути пробега молекул, размеры молекул и их число в единице объёма.

Идея единства всех физических процессов привела во 2-й половине 19 века к радикальной перестройке всей физики, к объединению её в два больших раздела - физику вещества и физику поля . Основой первой стала кинетическая теория, второй - учение об электромагнитном поле.

Кинетическая теория, оперирующая со средними величинами, впервые ввела в физику методы теории вероятностей . Она послужила исходным пунктом статистической физики - одной из самых общих физических теорий. Основы статистической физики были систематизированы уже на пороге 20 века американским учёным Дж. Гиббсом .

Столь же фундаментальное значение имело открытие электромагнитного поля и его законов . Создателем учения об электромагнитном поле был М. Фарадей . Он первый высказал мысль о том, что электрические и магнитные действия не переносятся непосредственно от одного заряда к другому, а распространяются через промежуточную среду. Воззрения Фарадея на поле были математически разработаны Максвеллом в 60-х годах 19-го века, которому удалось дать полную систему уравнений электромагнитного поля. Теория поля стала столь же последовательной, как и механика Ньютона.

Теория электромагнитного поля приводит к идее о конечной скорости распространения электромагнитных действий , высказанной Максвеллом (предвосхищенной еще ранее Фарадеем). Эта мысль дала возможность Максвеллу предсказать существование электромагнитных волн . Максвелл сделал также заключение об электромагнитной природе света . Электромагнитная теория света слила воедино электромагнетизм и оптику.

Однако общепризнанной теория электромагнитного поля стала только после того, как немецкий физик Г. Герц на опыте обнаружил электромагнитные волны и доказал, что они следуют тем же законам преломления, отражения и интерференции, что и световые волны.

Во 2-й половине 19 века значительно выросла роль физики в технике. Электричество нашло применение не только как средство связи (телеграф, телефон), но и как способ передачи и распределения энергии и как источник освещения. В конце 19 века электромагнитные волны были использованы для беспроволочной связи (А. С. Попов, Маркони ), чем было положено начало радиосвязи. Техническая термодинамика содействовала развитию двигателей внутреннего сгорания. Возникла техника низких температур . В 19 веке были сжижены все газы, за исключением гелия, который удалось получить в жидком состоянии только в 1908 (голландский физик Г. Каммерлинг-Оннес ).

Физика к концу 19 века представлялась современникам почти завершённой . Утвердилась концепция механистического детерминизма Лапласа, исходившая из возможности однозначно определить поведение системы в любой момент времени, если известные исходные условия. Многим казалось, что физические явления можно свести к механике молекул и эфира, ибо объяснить физические явления значило в то время свести их к механическим моделям, легко доступным на основе повседневного опыта . Механическая теория тепла, упругий (либо вихревой) эфир как модель электромагнитных явлений - так выглядела до конца 19 века физическая картина мира . Эфир представлялся подобным веществу по ряду своих свойств, но, в отличие от вещества, невесомым или почти невесомым (некоторые подсчёты приводили к весу шара из эфира, по объёму равного Земле, в 13 кг).

Однако механические модели наталкивались на тем большие противоречия, чем детальнее их пытались разработать и применять. Модели эфирных вихревых трубок, созданные для объяснения переменных полей, были непригодны для объяснения постоянных электрических полей. Наоборот, различные модели постоянного поля не объясняли возможности распространения электромагнитных волн. Наконец, ни одна модель эфира не была в состоянии наглядно объяснить связь поля с дискретными зарядами. Неудовлетворительными оказались и различные механические модели атомов и молекул (напр., вихревая модель атома, предложенная У. Томсоном).

Невозможность сведения всех физических процессов к механическим породила у некоторых физиков и химиков стремление вообще отказаться от признания реальности атомов и молекул, отвергнуть реальность электромагнитного поля . Э. Мах провозгласил задачей физики «чистое описание» явлений. Немецкий учёный В. Оствальд выступил против кинетической теории и атомистики в пользу так называемой энергетики -- универсальной, чисто феноменологической термодинамики, как единственно возможной теории физических явлений.

Третий (современный) период истории физики , получивший название неклассической или квантово-релятивистской физики , начинается в последние годы 19 века. Этот период характеризуется направлением исследовательской мысли вглубь вещества, к его микроструктуре . Новая эпоха в истории физики начинается с обнаружения электрона и исследования его действии и свойств (английский. учёный Дж. Томсон , голландский учёный Г. Лоренц ).

Важнейшую роль сыграли при этом исследования электрических разрядов в газах. Выяснилось, что электрон - элементарная частица определённой массы, обладающая наименьшим электрическим зарядом и входящая в состав атома любого химического элемента. Это означало, что атом не элементарен, а представляет собой сложную систему . Было доказано, что число электронов в атоме и их распределение по слоям и группам определяют электрические, оптические, магнитные и химические свойства атома; от структуры электронной оболочки зависят поляризуемость атома, его магнитный момент, оптический и рентгеновский спектры, валентность.

С динамикой электронов и их взаимодействием с полем излучения связано создание наиболее общих теорий современной физики - теории относительности и квантовой механики .

Изучение движений быстрых электронов в электрических и магнитных полях привело к заключению, что классическая ньютоновская механика к ним неприменима. Такой фундаментальный атрибут материальной частицы, как масса, оказался не постоянным, а переменным, зависящим от состояния движения электрона. Это было крушением укоренившихся в физике представлений о движении и о свойствах частиц .

Выход из противоречий был найден А. Эйнштейном , создавшим (в 1905) новую физическую теорию пространства и времени, теорию относительности . В дальнейшем Эйнштейном была создана (в 1916) общая теория относительности , преобразовавшая старое учение о тяготении

Не менее важным и действенным обобщением физических фактов и закономерностей явилась квантовая механика , созданная в конце первой четверти 20 века в результате исследований взаимодействия излучения с частицами вещества и изучения состояний внутриатомных электронов. Исходная идея квантовой механики состоит в том, что все микрочастицы обладают двойственной корпускулярно-волновой природой .

Эти радикально новые представления о микрочастицах оказались чрезвычайно плодотворными и действенными. Квантовой теории удалось объяснить свойства атомов и происходящие в них процессы, образование и свойства молекул, свойства твёрдого тела, закономерности электромагнитного излучения.

Двадцатый век. ознаменовался в физике мощным развитием экспериментальных методов исследования и измерительной техники . Обнаружение и счёт отдельных электронов, ядерных и космических частиц, определение расположения атомов и электронной плотности в кристаллах и в отдельной молекуле, измерения промежутка времени порядка 10 -10 сек., наблюдение за перемещением радиоактивных атомов в веществе - всё это характеризует скачок измерительной техники за несколько последних десятилетий.

Небывалые по мощности и масштабам средства исследования и производства были направлены на изучение ядерных процессов . Последние 25 лет ядерной физики, тесно связанной с космическими лучами, а затем с созданием мощных ускорителей, привели к технической революции и создали новые, исключительно тонкие методы исследования не только в физике, но и в химии, биологии, геологии, в самых разнообразных областях техники и сельского хозяйства.

Соответственно с ростом физических исследований и с растущим их влиянием на другие естественные науки и на технику резко увеличилось число физических журналов и книг. В конце 19 века в Германии, Англии, США и в России издавался, помимо академических, всего один физический журнал. В настоящее время в России, США, Англии, Германии издаётся более двух десятков журналов (в каждой стране).

Ещё в большей степени выросло число исследовательских учреждений и научных работников . Если в 19 веке научные исследования вели главным образом физические кафедры университетов, то в 20 веке во всех странах появились и стали увеличиваться по числу и по своим масштабам исследовательские институты по физике или по отдельным её направлениям. Некоторые из институтов, в особенности в области ядерной физики, обладают таким оборудованием, которое по своим масштабам и по стоимости превосходит масштабы и стоимость заводов.