История развития физики, страница 240, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

История развития физики

• История открытия законов постоянного тока.

• История обнаружения электромагнитных волн.

• Из истории измерения скорости света.

• Из истории зарождения и развития радиосвязи.

• Фундаментальные опыты в волновой оптике.

• Из истории открытия и исследования внешнего фотоэффекта.

• Фундаментальные опыты Резерфорда по исследованию внутренней структуры атомов.

• История открытия теории относительности.

• Элементарные частицы.

История открытия законов постоянного тока

История изучения постоянного электрического тока начинается в конце XVIII века с опытов итальянского врача и физиолога Луиджи Гальвани. В 1780-х годах он обнаружил, что мышцы препарированной лягушки сокращаются при контакте с двумя разными металлами. Гальвани ошибочно предположил, что источником является «животное электричество».

Его соотечественник, физик Алессандро Вольта, усомнился в этой гипотезе и предположил, что электричество возникает из-за контакта разнородных металлов. Для доказательства своей правоты в 1800 году он создал первый в мире химический источник постоянного тока — «вольтов столб». Он состоял из наложенных друг на друга дисков из цинка и меди, разделенных тканью, смоченной в кислоте. Это изобретение позволило получать непрерывный электрический ток и открыло дорогу для его систематического изучения.

Ключевой шаг в понимании законов тока сделал немецкий физик Георг Ом. В 1826 году, после серии кропотливых экспериментов, он установил фундаментальную зависимость между силой тока $\text{I}$ на участке цепи, напряжением $\text{U}$ (разностью потенциалов) на концах этого участка и его сопротивлением $\text{R}$. Этот закон, известный как закон Ома, математически выражается формулой:

$I = \frac{U}{R}$

Работа Ома изначально была встречена с недоверием, но со временем ее важность была признана. Позже были открыты и другие важные законы, такие как закон Джоуля-Ленца, описывающий тепловое действие тока, и правила Кирхгофа для разветвленных электрических цепей, которые стали развитием и обобщением закона Ома.

Ответ: Открытие законов постоянного тока связано с созданием первого химического источника тока Алессандро Вольтой и экспериментальным установлением Георгом Омом в 1826 году фундаментальной связи между силой тока, напряжением и сопротивлением (закон Ома).

История обнаружения электромагнитных волн

Открытие электромагнитных волн стало триумфом теоретической физики. Началось все с установления связи между электричеством и магнетизмом. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в проводнике при изменении магнитного поля.

Настоящий прорыв совершил шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. В 1860-х годах он обобщил все известные на тот момент законы электричества и магнетизма в единую систему из четырех уравнений (уравнения Максвелла). Из этих уравнений следовало, что переменное во времени электрическое поле порождает переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое. Этот процесс взаимного порождения полей распространяется в пространстве в виде волны — электромагнитной волны.

Теория Максвелла предсказывала, что скорость этих волн в вакууме $\text{c}$ должна быть равна отношению электромагнитной и электростатической единиц заряда, и расчетное значение совпало с известной на тот момент скоростью света. Это позволило Максвеллу сделать гениальный вывод: свет — это тоже электромагнитная волна.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла было получено в 1886–1888 годах немецким физиком Генрихом Герцем. Он создал устройство (вибратор Герца), которое генерировало высокочастотные электромагнитные колебания, и приемник (резонатор), который их улавливал на расстоянии. Герц смог измерить длину и скорость волн, подтвердив, что они распространяются со скоростью света и обладают свойствами отражения, преломления и интерференции, как и световые волны.

Ответ: Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Джеймсом Максвеллом в 1860-х годах как следствие его единой теории электромагнетизма, а экспериментально обнаружено и исследовано Генрихом Герцем в 1886-1888 годах.

Из истории измерения скорости света

Скорость света ($\text{c}$) — одна из фундаментальных физических констант. Попытки ее измерить имеют долгую историю.

Первую успешную оценку скорости света дал датский астроном Оле Рёмер в 1676 году. Он наблюдал за затмениями спутника Юпитера Ио. Рёмер заметил, что когда Земля в своем движении по орбите удаляется от Юпитера, затмения наступают позже, а когда приближается — раньше. Он правильно объяснил это тем, что свету требуется конечное время, чтобы преодолеть дополнительное расстояние, равное изменению расстояния между Землей и Юпитером. Его расчеты дали значение около 220 000 км/с.

Более точное значение было получено в 1728 году Джеймсом Брэдли, который открыл явление аберрации света звезд (кажущееся смещение звезд на небесной сфере из-за движения Земли). Его метод дал значение около 301 000 км/с.

Первое лабораторное (земное) измерение провел французский физик Ипполит Физо в 1849 году. Он пропускал луч света через быстро вращающееся зубчатое колесо, который отражался от зеркала на расстоянии около 8 км и возвращался обратно. Зная скорость вращения колеса, при которой свет переставал быть виден, Физо смог вычислить скорость света, получив 313 300 км/с.

Метод Физо был усовершенствован Леоном Фуко в 1862 году, который заменил зубчатое колесо вращающимся зеркалом. Это позволило значительно уменьшить расстояние и повысить точность. Метод Фуко также позволил измерить скорость света в воде и доказать, что она меньше, чем в воздухе, что стало решающим аргументом в пользу волновой теории света.

Наиболее точные измерения в конце XIX - начале XX века провел американский физик Альберт Майкельсон с помощью интерферометров. С 1983 года скорость света в вакууме считается фундаментальной константой, определенной точно и по соглашению равной $c = 299\;792\;458$ м/с.

Ответ: Измерение скорости света прошло путь от астрономических методов (Рёмер, 1676) до все более точных лабораторных экспериментов на Земле (Физо, 1849; Фуко, 1862; Майкельсон), пока ее значение не было зафиксировано как фундаментальная константа.

Из истории зарождения и развития радиосвязи

Зарождение радиосвязи напрямую связано с открытием электромагнитных волн Генрихом Герцем. После его экспериментов в 1888 году стало ясно, что эти волны можно использовать для передачи сигналов без проводов. Идея "беспроволочного телеграфа" витала в воздухе.

Одним из первых, кто создал прибор для регистрации электромагнитных волн и публично продемонстрировал его, был русский физик Александр Степанович Попов. 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества он продемонстрировал созданный им прибор, названный «грозоотметчиком», который был предназначен для регистрации атмосферных разрядов (молний), но по сути являлся первым в мире радиоприемником. Попов также высказал идею использования этого устройства для передачи сигналов на расстояние.

Практически одновременно и независимо работы в этом направлении вел итальянский инженер и предприниматель Гульельмо Маркони. В отличие от Попова, Маркони с самого начала сосредоточился на задаче передачи сигналов на большие расстояния и коммерциализации изобретения. Он систематически совершенствовал передатчик и приемник, введя заземление и используя антенны, что позволило значительно увеличить дальность связи. В 1897 году он получил патент и основал свою компанию. Апогеем его ранних успехов стала первая трансатлантическая радиопередача в декабре 1901 года, когда сигнал (буква 'S' азбукой Морзе) был передан из Англии в Канаду.

Дальнейшее развитие радиосвязи было стремительным. Изобретение вакуумного диода (Флеминг, 1904) и триода (Ли де Форест, 1906) позволило не только детектировать, но и усиливать слабые радиосигналы, а также генерировать незатухающие колебания. Это открыло эру голосовой радиосвязи и радиовещания.

Ответ: Зарождение радиосвязи началось с экспериментов А.С. Попова, создавшего первый радиоприемник в 1895 году, и Г. Маркони, который первым осуществил практическую передачу сигналов на большие расстояния, включая трансатлантическую радиосвязь в 1901 году, и положил начало коммерческому использованию радио.

Фундаментальные опыты в волновой оптике

Волновая оптика изучает явления, в которых проявляется волновая природа света. Два фундаментальных эксперимента окончательно утвердили эту теорию в начале XIX века, опровергнув доминировавшую корпускулярную теорию Ньютона.

1. Опыт Юнга (1801 г.). Английский ученый Томас Юнг поставил эксперимент, ставший классическим доказательством волновой природы света. Он направил узкий пучок света на экран с двумя близко расположенными параллельными щелями. Согласно корпускулярной теории, на экране за щелями должны были появиться две светлые полосы. Однако Юнг наблюдал совершенно иную картину: чередующиеся светлые и темные полосы. Это явление — интерференция — могло быть объяснено только сложением световых волн, пришедших от двух щелей. В местах, где гребни волн совпадали, наблюдалось усиление света (светлая полоса), а где гребень одной волны совпадал с впадиной другой — ослабление (темная полоса).

2. Опыты Френеля и пятно Пуассона-Араго. Французский физик Огюстен Френель разработал строгую математическую теорию дифракции — явления огибания светом препятствий. Основываясь на принципе Гюйгенса, он смог объяснить, как свет отклоняется от прямолинейного распространения на краях препятствий. Одним из самых поразительных следствий его теории было предсказание, сделанное Симеоном Пуассоном: в центре тени от небольшого круглого непрозрачного диска должно наблюдаться светлое пятно. Это казалось абсурдным, но член комиссии Доминик Араго провел соответствующий опыт и обнаружил это пятно, которое теперь носит имя "пятно Пуассона-Араго". Это стало триумфальным подтверждением волновой теории Френеля.

Также к фундаментальным явлениям волновой оптики относится поляризация света, которая доказывает, что световые волны являются поперечными (колебания происходят перпендикулярно направлению распространения).

Ответ: Ключевыми экспериментами, доказавшими волновую природу света, являются опыт Юнга по интерференции света на двух щелях и подтверждение теории дифракции Френеля через наблюдение пятна Пуассона-Араго.

Из истории открытия и исследования внешнего фотоэффекта

Внешний фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Его история — яркий пример того, как экспериментальные загадки приводят к революции в физике.

Открытие было сделано случайно Генрихом Герцем в 1887 году. Во время своих опытов с электромагнитными волнами он заметил, что электрический разряд между двумя электродами происходит легче, если освещать катод ультрафиолетовым светом.

Систематическое изучение фотоэффекта провел русский физик Александр Столетов в 1888–1890 годах. Он установил несколько важных закономерностей: сила фототока прямо пропорциональна интенсивности падающего света, и существует "красная граница" — минимальная частота (или максимальная длина волны) света, ниже которой фотоэффект не наблюдается, какой бы интенсивной ни была засветка.

Однако классическая волновая теория света не могла объяснить все особенности явления. В частности, эксперименты Филиппа Ленарда в 1902 году показали, что максимальная кинетическая энергия вылетающих электронов зависит не от интенсивности света, а от его частоты. Более того, фотоэффект был практически безынерционным, то есть электроны начинали вылетать сразу после начала освещения, что противоречило волновой идее о постепенном накоплении энергии.

Революционное объяснение было предложено Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он предположил, что свет распространяется и поглощается не непрерывно, а дискретными порциями — квантами (позже названными фотонами). Энергия каждого фотона $\text{E}$ пропорциональна его частоте $\nu$: $E = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка. Согласно Эйнштейну, один фотон, поглощаясь, выбивает один электрон. Часть энергии фотона идет на преодоление работы выхода $A_{вых}$ (минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от вещества), а оставшаяся часть переходит в кинетическую энергию электрона $E_k$. Это описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

$E_k = h\nu - A_{вых}$

Эта формула блестяще объяснила все экспериментальные факты. Окончательное подтверждение теории Эйнштейна было получено в точных экспериментах Роберта Милликена в 1916 году.

Ответ: Фотоэффект был открыт Г. Герцем, исследован А. Столетовым, а его законы, необъяснимые классической физикой, были теоретически обоснованы А. Эйнштейном в 1905 году, который ввел представление о световых квантах (фотонах), заложив основы квантовой теории.

Фундаментальные опыты Резерфорда по исследованию внутренней структуры атомов

В начале XX века доминировала модель атома Дж. Дж. Томсона («пудинг с изюмом»), согласно которой атом представлял собой шар с равномерно распределенным положительным зарядом, внутри которого находились отрицательно заряженные электроны.

В 1909–1911 годах в Манчестерском университете под руководством Эрнеста Резерфорда его сотрудники Ханс Гейгер и Эрнест Марсден провели серию экспериментов, которые полностью изменили представления о строении атома. Идея эксперимента состояла в «зондировании» атома с помощью альфа-частиц — положительно заряженных частиц, испускаемых радиоактивными элементами. Пучок альфа-частиц направлялся на тончайшую золотую фольгу. За фольгой располагался экран, покрытый сульфидом цинка, который светился при попадании на него альфа-частицы.

Согласно модели Томсона, массивные и быстрые альфа-частицы должны были пролетать сквозь «рыхлый» атом, лишь незначительно отклоняясь от первоначального направления. И действительно, большинство частиц вело себя именно так. Однако, к огромному удивлению экспериментаторов, небольшая часть частиц (примерно 1 из 8000) отклонялась на очень большие углы, а некоторые даже отбрасывались назад, в сторону источника.

Резерфорд позже описал свое изумление: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, и он рикошетом вернулся и ударил вас».

Проанализировав результаты, Резерфорд в 1911 году пришел к выводу, что модель Томсона неверна. Чтобы объяснить рассеяние частиц на большие углы, нужно было предположить, что почти вся масса атома и весь его положительный заряд сконцентрированы в очень малом объеме в центре — ядре. Электроны же, по его модели, вращаются вокруг этого ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Так родилась планетарная модель атома.

Ответ: Фундаментальный опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге привел к открытию атомного ядра и созданию планетарной модели атома, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов.

История открытия теории относительности

Теория относительности — это фундаментальная физическая теория, созданная Альбертом Эйнштейном и состоящая из двух частей: Специальной (СТО) и Общей (ОТО) теории относительности.

Специальная теория относительности (1905 г.). К концу XIX века физика столкнулась с противоречием между классической механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Кроме того, знаменитый опыт Майкельсона-Морли (1887) не смог обнаружить движение Земли относительно гипотетического «светоносного эфира». Эйнштейн решил эти проблемы, положив в основу СТО два постулата:

1. Принцип относительности: все законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника или наблюдателя.

Из этих, казалось бы, простых постулатов вытекали революционные следствия: относительность одновременности, замедление времени и сокращение длины для движущихся объектов, а также знаменитая формула эквивалентности массы и энергии:

$E = mc^2$

СТО изменила представления о пространстве и времени, объединив их в единый четырехмерный пространственно-временной континуум.

Общая теория относительности (1915 г.). СТО применима только к инерциальным системам отсчета. Эйнштейн поставил себе задачу создать теорию, включающую гравитацию и ускоренные системы отсчета. Ключевой идеей ОТО стал принцип эквивалентности, утверждающий, что гравитационные и инертные силы неотличимы. Это привело Эйнштейна к выводу, что гравитация — это не сила в традиционном понимании, а проявление искривления пространства-времени под действием массы и энергии. Массивные тела «продавливают» ткань пространства-времени, и другие тела движутся по кратчайшим путям (геодезическим линиям) в этом искривленном пространстве.

ОТО получила блестящие подтверждения: она смогла объяснить аномальное смещение перигелия Меркурия, предсказала отклонение света в гравитационном поле (подтверждено наблюдениями Артура Эддингтона в 1919 году) и предсказала существование гравитационных волн, которые были экспериментально обнаружены в 2015 году.

Ответ: Теория относительности была создана Альбертом Эйнштейном. Специальная теория (1905) изменила понятия о пространстве и времени, исходя из постоянства скорости света. Общая теория (1915) представила гравитацию как эффект искривления пространства-времени массой и энергией.

Элементарные частицы

Элементарные частицы — это мельчайшие, бесструктурные частицы, из которых, согласно современным представлениям, состоит вся материя. История их изучения — это путь вглубь строения вещества.

В конце XIX - начале XX века были открыты электрон, протон и нейтрон, которые долгое время считались «элементарными». Однако с развитием физики высоких энергий и строительством ускорителей в 1930–1960-х годах был открыт целый «зоопарк» новых частиц (мюоны, пионы, каоны и др.), что указывало на существование более глубокого уровня организации материи.

Порядок в этот хаос внесла теория, известная как Стандартная модель, сформировавшаяся к середине 1970-х годов. Она описывает все известные на сегодня элементарные частицы и три из четырех фундаментальных взаимодействий (сильное, слабое и электромагнитное).

Согласно Стандартной модели, все частицы делятся на два основных класса:

1. Фермионы — частицы, из которых состоит вещество. Они, в свою очередь, делятся на:

• Кварки: существуют 6 "ароматов" (типов) кварков (up, down, strange, charm, bottom, top). Они участвуют в сильном взаимодействии и не встречаются в свободном состоянии, а объединяются в адроны (например, протон состоит из двух up-кварков и одного down-кварка, а нейтрон — из одного up- и двух down-кварков).
• Лептоны: также 6 типов. Это электрон, мюон, тау-лептон и три соответствующих им нейтрино. Они не участвуют в сильном взаимодействии.

• Фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия.
• Глюоны (8 типов) — переносчики сильного взаимодействия, "склеивающие" кварки в адронах.
• W- и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия, ответственного за некоторые виды радиоактивного распада.

Стандартная модель является чрезвычайно успешной теорией, но она неполна, так как не описывает гравитацию и не объясняет природу темной материи и темной энергии.

Ответ: Элементарные частицы — это фундаментальные составляющие материи и полей, описываемые Стандартной моделью. Они включают фермионы (кварки и лептоны), из которых состоит вещество, и бозоны (фотоны, глюоны, W/Z-бозоны), которые являются переносчиками взаимодействий, а также бозон Хиггса, придающий частицам массу.