Текст книги "Физика"

Физика: для детей среднего школьного возраста
Автор-составитель С. В. Каплун

Автор-составитель С. В. Каплун

Перевод с украинского Н. Е. Фоминой

Художник-иллюстратор А. В. Беззубова

Художник-оформитель Л. Д. Киркач-Осипова

I. Что такое физика

Чем занимается физика

Пожалуй, многим из вас уже известно это загадочное слово – «физика». Но знаете ли вы, что оно означает?

С древних времен люди начали интересоваться тем, из чего же состоят тела, почему они движутся так или иначе, да и вообще тем, как устроен мир. Из этих и многих подобных вопросов возникал интерес человека к окружающему миру, к определенному применению приобретенных знаний о мире для улучшения условий собственной жизни.

Именно тогда, когда возникло стремление человека к познанию мира, появились первые ростки научного подхода к наблюдениям и анализу действительности.

Древние греки хотели найти первооснову всего того, из чего состоит мир.

Великие древние мыслители Демокрит, Платон, Аристотель стояли у истоков того, что мы сейчас называем физической наукой. Кстати, именно Аристотель впервые применил это слово – физика (греч. – τά φυσικά) для определения науки о природе.

Успехи науки – дело времени и смелости ума.

Вольтер

Однако если мы говорим, что физика изучает природу, то сразу же возникает вопрос: а что же изучают биология, геология, химия и другие естественные науки? Дело в том, что физическая наука открывает наиболее общие законы природы, объясняя определенные конкретные явления действием этих общих законов.

Что это означает? Например, когда физик исследует различные свойства жидкости, он не интересуется, является ли эта жидкость водой в реке, питательным соком растения или кровью в сосуде. Уже потом обнаруженные физиком закономерности биолог или врач смогут применить для объяснения тех или иных явлений, связанных с конкретными направлениями их работы.

Исследование строения вещества – тоже прежде всего задача физики. Затем, когда физические свойства обнаружены, можно перенести их на исследование и объяснение явлений, которые изучают другие области естествознания – биология, геология и т. д.

Немного истории

Зарождение физики

Приобретать знания об окружающем мире человека побудила борьба за существование. Сначала это было лишь случайное и неосознанное применение каких-то орудий природного происхождения для защиты и охоты. Со временем человек начал обрабатывать такие орудия и изготавливать более усовершенствованные. Получение и применение огня было настоящим прорывом в новое существование человека на Земле.

Найти одно научное доказательство для меня более важно, чем завоевать все персидское царство.

Демокрит

Именно в те давние времена у человека начали накапливаться первые представления и знания о мире. Хотя те знания с точки зрения сегодняшнего дня нельзя назвать подлинно научными, однако они были первой попыткой понять и описать окружающую среду.

Наверное, одной из важнейших задач, которые пытались решать первые человеческие цивилизации, было определение времени, потому что это имело большое значение прежде всего для земледелия. Исторические свидетельства о календаре и астрономических наблюдениях можно найти в Древнем Египте и Вавилоне, а также в наследии великих цивилизаций Южной Америки.

Безусловно, грандиозные сооружения древних государств (храмы, пирамиды, крепости) требовали определенных навыков и представлений о строительной механике. Мы и сейчас восхищаемся гигантскими сооружениями тех времен и задаемся вопросом, как их могли построить. А египетская и вавилонская математика тоже поражают своими изобретениями числа, геометрией, измерением времени!

Однако прародиной естественных наук следует считать Древнюю Грецию, ученые которой (в отличие от многих древних мудрецов Востока!) пытались найти логические доказательства высказываемым ими идеям.

Начало развития греческой науки обычно относят к VII–VI вв. до н. э., считая ее основоположником Фалеса Милетского. Именно ему принадлежат слова о материальной первооснове всех вещей, о развитии вещей из этой первоосновы. И представьте себе, что родственник и ученик Фалеса Анаксимандр высказывал мысли даже о развитии всей Вселенной, что и сейчас вызывает удивление и восхищение!

До наших времен не дошли работы великого Демокрита (460–370 гг. до н. э.), но благодаря более поздним описаниям и преданиям, в частности поэтическим (например, поэма римского поэта Лукреция «О природе вещей»), нам стали известны его революционные по тем временам идеи.

Демокрит

Аристотель

Известно также, что Демокрит родился во фракийском городе Абдера, на берегу Эгейского моря. Он много путешествовал: бывал в Египте, Вавилоне, Персии, Индии, Эфиопии.

Из пересказов его работ следует, что в основных положениях о строении вещей он отстаивал идею о существовании огромного количества различных атомов, из которых состоят все тела.

Однако, пожалуй, одной из самых выдающихся личностей греческой науки был Аристотель (384–322 гг. до н. э.). Он родился в греческом городе Стагир, неподалеку от Македонии. Поскольку отец Аристотеля был врачом македонского царя Аминты, то и вся царская семья была знакома с семьей Аристотеля. Сын Аминты, Филипп, став царем, пригласил Аристотеля к своему сыну Александру в качестве учителя. Уже позже Александр, известный полководец и царь Александр Македонский, говорил: «Я чту Аристотеля наравне со своим отцом, так как если отцу я обязан жизнью, то Аристотелю тем, что дает ей цену».

Работал Аристотель и в Афинах – вместе с выдающимся философом Платоном, которого считал своим учителем. В Афинах Аристотель основал собственную школу – Ликей. (Последователей Аристотеля называли перипатетиками. А слово «перипатос» означает место для прогулок и дискусий, т. к. Ликей был размещен в парке, и, по преданию, Аристотель преподавал философию во время прогулок.)

Аристотель написал много научных трудов и среди них – «Физику». Именно потому, что от названия его книги произошло название науки, великого грека называют крестным отцом физики!

Аристотелю принадлежат первые описания движений (он считал, что существуют круговые, естественные и неестественные движения), а также высказывания о причинах движений и изменения скорости. Несмотря на то, что выдающийся мыслитель признавал рассуждения, выявления логических противоречий и дискуссии главными научными методами (с позиций сегодняшнего дня этого слишком мало для науки!), он все же разошелся во взглядах на науку со своим учителем Платоном. Вы, вероятно, слышали крылатое выражение, которое приписывают Аристотелю: «Платон мне друг, но истина дороже».

Многое из того, что написал когда-то Аристотель, кем-то воспринимается со снисходительной улыбкой. Но не будем высокомерными и отдадим должное этому выдающемуся ученому и философу, который почти две с половиной тысячи лет назад выстроил первую научную картину мира!

Говоря о науке древнего мира, нельзя не упомянуть Архимеда (287–212 гг. до н. э.) – одну из вершин научной мысли того времени.

Архимед

Отец Архимеда, астроном и математик Фидий, был приближенным царя Сиракуз Гиерона, и это позволило ему дать сыну лучшее по тому времени образование. Архимед довольно долго пробыл в Александрии Египетской – большом научном и культурном центре тех лет. Вернулся он на родину уже достаточно зрелым математиком и механиком. Архимед разработал водоподъемный винт, всевозможную военную технику, машину для полива полей и т. п. Общеизвестным (и мы еще об этом поговорим!) является закон Архимеда гласивший, что на тело, погруженное в жидкость, действует сила, равная весу вытесненной им жидкости. С этого закона начинается гидростатика, которая продолжила свое развитие лишь в XVI–XVII вв.

Кроме математики и механики, Архимеда интересовали оптика и астрономия. Из рассказов других авторов следует, что Архимеду были известны действия плоских и вогнутых зеркал, он проводил опыты по преломлению света. Ему принадлежат исследования равновесия тел, в частности рычага.

Дайте мне точку опоры, и я подниму Землю!

Архимед

Об Архимеде существует много легенд, одна из которых повествует о том, как с помощью системы блоков был спущен на воду большой корабль, предназначенный Гиероном в подарок египетскому царю Птолемею. Возможно, именно тогда родилось крылатое выражение о точке опоры?..

Распад Римской империи и многочисленные перестройки государств, возникших на ее основе, на долгое время затормозили развитие науки. Лишь в средневековой Европе вновь началось постепенное развитие и углубление научной мысли, и прежде всего лидера естественных наук – физики.

Начало классической физики

Леонардо да Винчи

Когда говорят о физике как о науке уже в современном понимании, имеют в виду именно ту науку, которая вышла из исследовательских работ Галилео Галилея, Роберта Гука, Христиана Гюйгенса и, конечно, Исаака Ньютона. Однако невозможно тут не вспомнить еще об одной великой личности – Леонардо да Винчи (1452–1519) – выдающемся художнике, мыслителе, математике, конструкторе, астрономе и механике.

Этот флорентийский гигант эпохи Возрождения, кроме того, что рисовал картины, занимался еще вопросами механики, геологии, палеонтологии, физиологии растений и человеческого организма. Много времени и энергии он отдал исследованию движений и работе различных механизмов. Ценя математику более всего, Леонардо да Винчи говорил: «Механика – рай для математических наук». Сейчас известны его работы по изучению падения тел, движения по наклонной плоскости, воздействия трения на движение тел, колебательного движения, определению центра тяжести тел и многие другие. Интересно то, что он уже в те времена критиковал тех, кто пытался создать вечный двигатель: «О, искатели вечного движения, сколько пустых проектов создали вы в подобных поисках! Идите прочь вместе с алхимиками – искателями золота!»

Проекты вертолета и парашюта Леонардо да Винчи

Леонардо много занимался вопросами полета. Его первые исследования, рисунки и чертежи летательных аппаратов относятся примерно к 1487 г.

Схема крыла летательного аппарата по проекту Леонардо да Винчи

Очень интересны его проекты парашюта и вертолета (заметим, что эти современные названия он не использовал).

Фрэнсис Бэкон

Великий Леонардо как ученый был открыт только в конце XVII в., поэтому очень трудно определить, повлияли ли его исследования на современников и на ученых последующего периода. Слава Леонардо да Винчи как художника оттеснила на задний план его заслуги перед человечеством как ученого. Его рукописи часто были написаны зеркальным письмом, в зашифрованном виде, и поэтому достаточно трудно было их расшифровать. Такую расшифровку начали проводить лишь в конце XVII – начале XIX в.

Интересно, что в этих рукописях нашли высказывания о том, как именно нужно заниматься наукой: «Мне кажется, что пусты и обманчивы те науки, которые не порождаются опытом – отцом всякой достоверности… Следует проводить опыты, изменяя обстоятельства, пока не получим из них общие правила». При этом он осознавал и роль научной теории: «Тот, кто увлекается практикой без науки, подобен капитану, поднимающемуся на корабль без штурвала и компаса: он никогда не уверен, куда плывет. Всегда практика должна основываться на хорошей теории. Наука – капитан, практика – солдаты».

В Европе XVI–XVII вв. активно начал развиваться новый подход к познанию окружающего мира, а именно: не просто наблюдать и осмысливать увиденное, а сначала экспериментировать, делать первые выводы, выстраивать теорию и проверять ее на практике. В этом контексте следует упомянуть выдающегося английского философа Френсиса Бэкона (1561–1626). Он не был физиком, но его философские работы о том, как можно получить знания об окружающем мире, стали фундаментом новой науки.

Бэкон считал, что торможение развития науки его времени связано с тем, что ученые… много говорят, но мало экспериментируют, не исследуют реальных явлений на практике, не продвигаются дальше того, что было открыто древними учеными. От опытов к построению теории – вот его девиз! Ему принадлежат также и высказывания об определяющей роли науки в развитии техники, общества.

Рене Декарт

И вот наступила эпоха великих Галилея, Декарта, Ньютона.

Имя Рене Декарта (1596–1650) – выдающегося французского философа и математика – связывают с обоснованием так называемого дедуктивного метода в естественных науках и математике. (Когда вы станете взрослыми, познакомитесь с этим более подробно, а сейчас только скажем, что речь идет о таком способе занятий наукой, когда от общих рассуждений через последовательность четких выводов переходят к отдельным, частным случаям…)

В своих работах (а тогда они назывались трактаты) «Начала философии», «Правила для руководства ума», «Рассуждение о методе» Декарт, кроме всего прочего, призвал к применению методов математики для описания изучаемых явлений.

Новая философия Декарта была достаточно популярной, ее называли картезианство – от латинизированного имени ученого: Картезиус (Cartesius). Когда вы в школе или дома будете делать опыт с картезианским водолазом, имейте в виду, что это название тоже происходит от Декарта!

Известно, что в то время официальная церковь не очень радовалась тому направлению, в русле которого развивалась мысль Декарта. Его трактат «Правила для руководства ума» был внесен Папой Римским в «Индекс запрещенных книг».

Хотя сегодня многие из идей Декарта считаются неверными, его вклад в развитие науки остается бесспорным.

Мы не будем останавливаться на таком важном этапе развития физики, как борьба за создание гелиоцентрической системы мира. Пусть эта история останется астрономам! Однако следует заметить, что как в те давние времена, так и сейчас в некоторых вопросах очень трудно разграничить физику и астрономию с ее проблемами создания и развития Вселенной, Солнечной системы, процессов, происходящих в недрах звезд и т. п.

Кроме того, многие из крупных ученых прошлого просто сочетали в одном лице физика, астронома, математика и философа! Например, у Аристотеля и Платона, Галилея и Лапласа, Декарта и Ньютона были такие направления научной деятельности, которые тесно связаны с попыткой описать строение Вселенной, найти в ней место нашей Земли, выявить законы, объясняющие движение планет. Размышления над этими проблемами, безусловно, заставляли ученых несколько по-иному взглянуть и на «земные проблемы».

Николай Коперник

Значительное влияние на развитие всего естествознания и в частности физики имели работы выдающегося польского ученого Николая Коперника (1473–1543). Именно в его трактате «О вращениях небесных сфер» говорится о Земле не как о центре Вселенной, а как об одной из планет, вращающихся вокруг Солнца (поэтому предложенная ученым система была названа гелиоцентрической: от греческого hçlios – солнце). Он писал также, что Земля вращается и вокруг собственной оси. Для того чтобы описать видимое движение планет, Коперник использовал понятие об относительности движения (хотя оно не совсем совпадает с современными представлениями, для того времени это было шагом вперед).

Книга Коперника поставила перед наукой много важных проблем, среди которых важнейшими были вопросы, связанные с движением планет вокруг Солнца, выявлением причин, благодаря которым планеты удерживаются около Солнца, созданием новой математики, с помощью которой можно было бы описать эту новую систему мира.

Но не только с наукой были связаны те проблемы, которые возникли после появления труда Коперника. Католическая церковь отнеслась к новому учению как к ереси (так как оно противоречило господствующим религиозным взглядам). Несмотря на это, некоторые ученые и философы приняли и поддержали основные идеи учения Коперника, хотя им было нелегко противостоять официально признанным догмам[1]1
  Догма – то, что принимают за непреложную истину.


[Закрыть]. Одним из таких ученых был Галилео Галилей (1564–1642).

Этот выдающийся итальянский физик и астроном справедливо считается одним из основателей современной физики и астрономии и первым ученым, наблюдавшим за небом при помощи построенных им «зрительных» трубок. Он обнаружил, что на поверхности Луны есть горы, равнины и впадины, увидел спутники у Юпитера, открыл, что Венеру так же, как и Луну, можно видеть с Земли по-разному (т. е., как говорят, в разных фазах).

Галилей сформировал закон о падении и движении тел. В своей знаменитой книге «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой», которая вышла в 1632 г. во Флоренции, Галилей привел собственные доводы в пользу учения Коперника. Эта книга произвела эффект взрыва в научном мире, а инквизиция начала против Галилея обвинительный процесс…

Чем все это закончилось, вы сможете узнать, обратившись к последнему разделу этой книги. Сейчас только скажем, что Галилео Галилей внес очень весомый вклад в развитие физики как науки, благодаря которому следующие поколения ученых могли идти дальше и развивать эту науку. Фигура Галилея – это одна из вершин классической физики. Он расчистил путь для новых создателей классической и современной физики. Его бессмертные научные произведения будут служить примером того, как гениально он «всю жизнь читал открытую для всех большую книгу природы» (это высказывание самого Галилея).

Имя человека, благодаря открытиям которого физика приобрела настоящий научный характер, – Исаак Ньютон (1643–1727).

Титульный лист книги Г. Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – Птоломеевой и Коперниковой»

Его важными научными достижениями были: открытие закона всемирного тяготения и связанная с ним теория движения планет; основные законы динамики, известные нам как «Три закона Ньютона»; открытия в области оптики. Для описания физических явлений Ньютон применил математический аппарат, который до него не существовал вообще. Этим математическим аппаратом ученые пользуются и теперь. По словам академика С. Вавилова, «ньютоновская механика – не историческая реликвия, а основа естествознания сегодняшнего дня».

Кто осмелится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано?

Галилей

Эта выдающаяся личность интересна как своими конкретными научными результатами, так и теми методами, с помощью которых они были получены. Его знаменитое «Гипотез не измышляю…» свидетельствует о необходимости опираться на опыт, на практику, на сопоставление новой идеи, новой теории с реально происходящими явлениями.

Личный и научный авторитет Ньютона был так велик, что его поклонники и последователи довольно часто превозносили его научные предположения и гипотезы до абсолюта, считалось, что их даже обсуждать нельзя. Из-за этого Ньютону часто приписывали такие вещи, о которых он и не говорил, и не писал. Вот что могут натворить «научные фанаты»!..

Сделал все, что мог, пусть другие сделают лучше.

Ньютон

Биография и творческая судьба этого выдающегося человека настолько интересна, что некоторые ее фрагменты мы вынесли в отдельный раздел в конце книги.

Ньютон. Рис. У. Блейка. 1795 г.

Таким образом, можно считать, что именно с конца XVII – начала XVIII в. началась и физическая наука, которая сегодня является основой естествознания, техники и новых супертехнологий.

Европейский научный прорыв не обошел и Россию, где благодаря открытой в 1725 г. Петербургской академии наук тоже началось бурное развитие научных, в том числе физических, исследований. Развитие физики в Академии связано с именами М. В. Ломоносова (1711–1765) и приглашенных европейских ученых – Леонарда Эйлера, Даниила Бернулли, Георга Рихмана и других.

Михаил Ломоносов оставил не много завершенных и опубликованных научных работ по физике и химии: большая часть так и осталась в виде заметок, фрагментов. Сейчас трудно даже поверить, что долгое время он вообще был известен, прежде всего, как поэт и писатель. Только, пожалуй, начиная с Пушкина, потомки стали относиться к Ломоносову как к «первому русскому университету».

II. Движение и взаимодействие

Движение всегда и везде

Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, что такое движение? А, вообще, стоит ли над этим задумываться: может, этот вопрос не очень интересен и не достоин нашего внимания? Однако давайте поразмыслим немного над этим.

Жизнь ставит перед наукой цели; наука освещает пути жизни.

Н. Михайловский

Пожалуй, еще первобытным людям приходилось смотреть на небо, на все, что их окружает, и чувствовать (конечно, еще не понимать!), что происходят определенные изменения. Они интуитивно использовали накопленный опыт наблюдений за движением животных, птиц для собственных нужд, например для охоты.

Через десятки тысяч лет человеку уже было необходимо более сознательно учитывать особенности движений, осуществляемых им и всем, что находится вокруг. Глядя на небо, древние греки задавались вопросом, почему яркие «точки» на небе (звезды и планеты!) движутся именно так, а не иначе. А почему падает камень, выпущенный из рук? Как сделать полет стрелы или камня из пращи более точным? И еще много других «почему» заставляло людей задумываться над тем, что они наблюдали и что уже даже вошло в их обиход.

Оказалось, что абсолютно все объекты, которые находятся вокруг нас, движутся, причем даже тогда, когда они якобы находятся в состоянии покоя.

Чем различаются движение и состояние покоя?

Представьте себе, что после тяжелого трудового дня в школе вы, просмотрев любимую телевизионную передачу, уснули на диване. Вы, конечно, считаете, что в таком состоянии вы не двигаетесь?

А известно ли вам, что наша Земля вращается вокруг своей оси, делая один оборот примерно за двадцать четыре часа? Но тогда и вы, пусть и неподвижны относительно своего дивана, вращаетесь вместе с Землей! То есть вы движетесь!

Но и это еще не все. Оказывается, наша планета Земля движется вокруг Солнца, а в свою очередь Солнце со всей своей планетной семьей (следовательно, и с Землей) вращается вокруг центра нашей Галактики с огромной скоростью! А современные ученые-астрофизики говорят, что и галактики с огромной скоростью разбегаются в пространстве. Где же нам с вами найти покой?..

Каким образом можно определить, что такое движение и что такое покой?

Попробуем сначала определить, что движение – это процесс изменения положения в пространстве одного тела относительно какого-то другого (или других) тела.

Сказав так, мы отметили, что говорить о движении одного тела, не имея другого, в отношении которого мы это движение наблюдаем, просто бессмысленно. Однако, если мы такие умные, отчего же мы не заметили еще одного важного условия: изменение положения тела осуществляется со временем, так как именно каждый раз через какой-то промежуток времени (через час, минуту, секунду или долю секунды) мы замечаем изменение положения тела в пространстве. То есть, обобщая, следует сказать, что движение тела является процессом изменения его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Когда же говорят о состоянии покоя определенного объекта, то имеют в виду, что этот объект не движется именно в отношении какого-либо другого объекта, избранного в качестве тела отсчета, то есть в нашем примере вы находитесь в состоянии покоя относительно дивана.

Вот это и называют относительностью движения: по отношению к разным объектам движение одного и того же тела выглядит по-разному.

Однако наряду с относительностью у механического движения есть и определенные черты того, что не меняется даже тогда, когда на то же самое движение будет смотреть какой-нибудь другой наблюдатель. Например, если относительно земли расстояние между двумя определенными телами увеличивается, то относительно какого-либо другого тела отсчета расстояние между этими телами тоже будет увеличиваться, т. е. расстояние между телами является абсолютным, одинаковым с точки зрения разных наблюдателей.

Например, представьте себе, что на палубе теплохода, плывущего по реке, расходятся танцующие пары, а вы наблюдаете их движение, сидя на берегу. Что наблюдает в это же время ваша мама, которая стоит на той же палубе, – неужели, что пары сходятся?.. Пожалуй, нет. То есть, расстояние между танцорами и с вашей точки зрения, и с точки зрения вашей мамы будет одинаковым. И вы одинаково будете видеть его увеличение.

Ученым понадобилась не одна сотня лет, чтобы понять, что движение тел является неотъемлемым их свойством (как говорят философы, формой существования материальных объектов).

Одним из важнейших разделов физики является механика. Она изучает движение тел или их частей. В механике рассматривается движение больших (макроскопических) тел. Однако оказывается, что движутся и частицы, из которых состоят все тела. Движутся определенные частицы во время того процесса, который мы называем электрическим током. Движутся частицы воздуха (пока назовем их так), которым мы дышим. А когда возникает и распространяется звук, то это тоже связано с определенным движением – колебаниями. И так далее, и так далее…

Движение действительно есть везде и всегда!