История развития физики, страница 193, часть 2 - 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 тока начинается с конца XVIII века, когда благодаря работам Луиджи Гальвани и Алессандро Вольты стало возможным создание первых источников непрерывного электрического тока. В 1800 году Вольта создал "вольтов столб" — первую химическую батарею, которая позволила учёным проводить длительные эксперименты с электричеством.

Ключевой фигурой в этом исследовании стал немецкий физик Георг Ом. В 1826-1827 годах, проводя серию meticulous экспериментов, он установил фундаментальную зависимость между напряжением (разностью потенциалов), силой тока и сопротивлением в электрической цепи. Этот закон, известный как закон Ома, является краеугольным камнем всей электротехники и формулируется как:

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

где $\text{I}$ — сила тока, $\text{U}$ — напряжение, а $\text{R}$ — сопротивление. Несмотря на важность открытия, работа Ома была первоначально встречена с недоверием и получила признание лишь спустя годы.

Дальнейшее развитие теории электрических цепей связано с именем Густава Кирхгофа, который в 1845 году сформулировал два правила для расчёта сложных разветвлённых цепей (правила Кирхгофа). Первое правило касается токов в узлах цепи, а второе — напряжений в замкнутых контурах.

Параллельно Джеймс Прескотт Джоуль и, независимо от него, Эмилий Ленц исследовали тепловое действие тока. В 1841-1843 годах они установили закон, согласно которому количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока ($Q = I^2Rt$). Этот закон получил название закона Джоуля — Ленца.

Эти открытия заложили теоретическую основу для понимания явлений постоянного тока и стали отправной точкой для развития электротехники и её многочисленных приложений.

Ответ: Открытие законов постоянного тока связано с созданием А. Вольтой первого источника тока (1800 г.), экспериментальным установлением Г. Омом основной зависимости между током, напряжением и сопротивлением (1826 г.), формулировкой Г. Кирхгофом правил для сложных цепей (1845 г.) и открытием Дж. Джоулем и Э. Ленцем закона о тепловом действии тока (1840-е гг.).

История обнаружения электромагнитных волн.

Предсказание существования электромагнитных волн стало одним из величайших триумфов теоретической физики XIX века. Оно было сделано шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. В 1860-х годах, обобщая экспериментальные законы электричества и магнетизма (работы Фарадея, Ампера, Гаусса), Максвелл создал единую теорию электромагнитного поля, выраженную в виде системы из четырёх уравнений (уравнения Максвелла).

Из этих уравнений следовало, что переменное во времени электромагнитное поле должно распространяться в пространстве в виде волн. Максвелл вычислил скорость этих гипотетических волн в вакууме, которая оказалась равной $c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}}$, где $\epsilon_0$ и $\mu_0$ — электрическая и магнитная постоянные. Вычисленное значение поразительно совпало с уже известной на тот момент скоростью света. Это позволило Максвеллу сделать гениальное предположение, что свет сам по себе является электромагнитной волной.

Экспериментальное подтверждение теории Максвелла последовало спустя примерно 20 лет. В 1886–1888 годах немецкий физик Генрих Герц провёл серию блестящих опытов. Он сконструировал источник высокочастотных электромагнитных колебаний — искровой передатчик (вибратор Герца) — и приёмник (резонатор). Герц обнаружил, что при возникновении электрического разряда в передатчике, в приёмнике, расположенном на некотором расстоянии, также проскакивала искра. Это доказывало, что энергия передавалась через пространство невидимыми волнами.

Герц не только доказал существование электромагнитных волн, но и изучил их свойства. Он показал, что они отражаются от металлических поверхностей, преломляются, интерферируют и поляризуются, то есть ведут себя в точности как световые волны, отличаясь от них лишь длиной волны. Эти опыты окончательно подтвердили правоту теории Максвелла и открыли путь к созданию радио.

Ответ: Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Дж. К. Максвеллом в 1860-х годах как следствие его объединенной теории электромагнетизма. Экспериментально они были обнаружены и исследованы Г. Герцем в 1886-1888 годах, что подтвердило теорию Максвелла и показало, что свет является частным случаем электромагнитных волн.

Из истории измерения скорости света.

Вопрос о скорости света волновал умы учёных с античности, когда считалось, что она бесконечна. Первую попытку её измерить предпринял Галилео Галилей в XVII веке, используя двух наблюдателей с фонарями на холмах, но эксперимент не дал результата из-за слишком большой скорости.

Первая успешная оценка была сделана датским астрономом Олафом Рёмером в 1676 году. Наблюдая за затмениями спутника Юпитера Ио, он заметил, что периоды затмений изменяются в зависимости от того, приближается ли Земля к Юпитеру или удаляется от него. Рёмер правильно объяснил это тем, что свету требуется конечное время, чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру земной орбиты. Его оценка составила около 220 000 км/с.

Более точное значение получил английский астроном Джеймс Брэдли в 1728 году, открыв явление аберрации света звёзд — кажущегося смещения звёзд из-за движения Земли по орбите. Его расчёты дали значение около 301 000 км/с.

Первое успешное лабораторное измерение скорости света провёл французский физик Ипполит Физо в 1849 году. Он использовал метод прерывания светового луча быстро вращающимся зубчатым колесом. Свет проходил между зубьями колеса, отражался от удалённого зеркала и на обратном пути мог быть перекрыт следующим зубцом. Зная скорость вращения колеса и расстояние до зеркала, Физо получил значение около 313 300 км/с.

В 1862 году Леон Фуко усовершенствовал этот метод, заменив зубчатое колесо на вращающееся зеркало. Это позволило значительно уменьшить необходимое расстояние и повысить точность. Фуко получил значение $298 000 \pm 500$ км/с, а также доказал, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, что стало решающим аргументом в пользу волновой теории света.

Начиная с конца XIX века, Альберт Майкельсон провёл серию высокоточных измерений, которые легли в основу современной величины скорости света. С 1983 года скорость света в вакууме принята по определению как фундаментальная физическая постоянная, равная точно 299 792 458 м/с.

Ответ: Скорость света впервые была оценена О. Рёмером (1676 г.) астрономическим методом. Первое лабораторное измерение провёл И. Физо (1849 г.) с помощью вращающегося зубчатого колеса, а затем метод был усовершенствован Л. Фуко (1862 г.) с использованием вращающегося зеркала. Высокоточные измерения А. Майкельсона закрепили значение, которое сегодня является определённой константой.

Из истории зарождения и развития радиосвязи.

Зарождение радиосвязи стало прямым следствием открытия электромагнитных волн Генрихом Герцем. Хотя сам Герц не видел практического применения своим опытам, другие учёные быстро осознали потенциал беспроводной передачи информации.

Ключевыми фигурами в изобретении радио считаются русский учёный Александр Попов и итальянский инженер Гульельмо Маркони. 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества А. С. Попов продемонстрировал созданный им прибор для регистрации электромагнитных волн, названный им "грозоотметчик". Этот прибор был, по сути, первым в мире радиоприёмником. В марте 1896 года Попов осуществил первую радиопередачу, передав радиограмму из двух слов "Генрих Герц" на расстояние 250 метров.

Практически в то же время Гульельмо Маркони в Италии проводил аналогичные эксперименты. В отличие от Попова, он сразу сосредоточился на коммерческом и практическом применении технологии. В 1896 году он получил патент на "усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого". Маркони систематически увеличивал дальность связи: в 1899 году он осуществил передачу через Ла-Манш, а 12 декабря 1901 года вошёл в историю, установив первую трансатлантическую радиосвязь между Англией и Канадой.

Раннее радио использовало искровые передатчики, генерировавшие затухающие колебания, и не очень чувствительные приёмники (когереры). Революцию в радиотехнике произвело изобретение электронной лампы. В 1906 году Ли де Форест создал триод ("аудион"), который мог не только детектировать, но и усиливать слабые радиосигналы. Это открыло эру радиовещания. В 1906 году Реджинальд Фессенден провёл первую в мире передачу речи и музыки с помощью амплитудной модуляции.

Дальнейшее развитие было связано с работами Эдвина Армстронга, который изобрёл регенеративный приёмник, супергетеродин (используется и сегодня) и частотную модуляцию (FM), обеспечившую высокое качество звука и помехоустойчивость.

Ответ: Радиосвязь зародилась в конце XIX века на основе работ А. Попова, продемонстрировавшего первый радиоприёмник в 1895 г., и Г. Маркони, осуществившего первые практические сеансы дальней связи, включая трансатлантическую в 1901 г. Ключевыми технологическими прорывами стали изобретение триода Ли де Форестом (1906 г.) и разработки в области модуляции и приёма сигнала (Фессенден, Армстронг).

Фундаментальные опыты в волновой оптике.

В начале XIX века господствовала корпускулярная теория света, поддерживаемая авторитетом Исаака Ньютона. Однако серия фундаментальных экспериментов неопровержимо доказала волновую природу света.

1. Опыт Юнга (1801 г.). Английский учёный Томас Юнг направил пучок света на экран с двумя близко расположенными щелями. На втором экране, установленном за первым, он наблюдал не просто два освещённых участка, а чередующиеся тёмные и светлые полосы — интерференционную картину. Юнг объяснил это явление сложением световых волн, пришедших от двух щелей: в местах, где гребни волн совпадали, наблюдались максимумы (светлые полосы), а где гребень одной волны совпадал с впадиной другой — минимумы (тёмные полосы). Этот опыт стал первым убедительным доказательством волновой природы света и принципа суперпозиции.

2. Опыты Френеля. Французский физик Огюстен Френель не только создал строгую математическую теорию дифракции и интерференции, но и поставил ряд изящных экспериментов (с зеркалами Френеля и бипризмой Френеля), которые подтверждали его теорию и исключали возможные возражения против опыта Юнга.

3. Пятно Пуассона-Араго. В рамках конкурса Французской академии наук Симеон Пуассон, сторонник корпускулярной теории, проанализировал теорию Френеля и пришёл к выводу, что из неё следует абсурдный результат: в центре тени от круглого непрозрачного диска должно наблюдаться светлое пятно. Председатель комиссии Доминик Араго немедленно поставил соответствующий опыт и, к всеобщему изумлению, обнаружил это пятно. Парадоксальное предсказание превратилось в блестящее подтверждение волновой теории.

4. Поляризация света. Явление поляризации, открытое Этьеном Малусом в 1808 году, также нашло объяснение только в рамках волновой теории. Юнг и Френель предположили, что световые волны являются поперечными, то есть колебания в них происходят перпендикулярно направлению распространения. Только поперечные волны могут быть поляризованы, в отличие от продольных (как звук).

Ответ: Фундаментальные опыты, доказавшие волновую природу света, включают опыт Юнга с двумя щелями, продемонстрировавший интерференцию (1801 г.), эксперименты Френеля и открытие пятна Пуассона-Араго, подтвердившие теорию дифракции, а также изучение явлений поляризации, которые показали поперечный характер световых волн.

Из истории открытия и исследования внешнего фотоэффекта.

Внешний фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Его история — яркий пример того, как экспериментальные данные, не укладывающиеся в рамки классической физики, привели к квантовой революции.

Открытие явления принадлежит Генриху Герцу, который в 1887 году заметил, что ультрафиолетовое облучение разрядника облегчает проскакивание искры. Однако он не придал этому значения.

Систематическое исследование фотоэффекта было проведено русским физиком Александром Столетовым в 1888–1890 годах. Используя вакуумную колбу с двумя электродами, он установил три фундаментальных закона фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего света.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а определяется только его частотой (и линейно растёт с ней).

3. Для каждого вещества существует минимальная частота света (красная граница фотоэффекта), ниже которой фотоэффект не наблюдается, какой бы ни была интенсивность света.

Эти законы находились в резком противоречии с классической электромагнитной теорией, согласно которой энергия волны определяется её интенсивностью, а не частотой. Классическая физика не могла объяснить ни существование красной границы, ни независимость энергии электронов от интенсивности света.

Решение было предложено Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Он выдвинул революционную гипотезу о том, что свет состоит из дискретных порций энергии — световых квантов (позже названных фотонами). Энергия каждого кванта пропорциональна частоте света: $E = h\nu$, где $\text{h}$ — постоянная Планка.

Эйнштейн предположил, что фотоэффект — это процесс, в котором один электрон поглощает один фотон. Энергия фотона расходуется на то, чтобы вырвать электрон из металла (работа выхода $A_{вых}$) и на сообщение ему кинетической энергии. Это описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

$h\nu = A_{вых} + \frac{mv^2_{max}}{2}$

Это простое уравнение полностью объяснило все экспериментальные законы Столетова и предсказало линейную зависимость энергии электронов от частоты. Окончательное экспериментальное подтверждение теории Эйнштейна было получено в точных опытах Роберта Милликена в 1915 году.

Ответ: Фотоэффект был открыт Г. Герцем (1887 г.) и детально исследован А. Г. Столетовым (1888-1890 гг.), который установил его основные законы. Эти законы не могли быть объяснены классической физикой. Теоретическое объяснение было дано А. Эйнштейном в 1905 г. на основе гипотезы о световых квантах (фотонах), что стало одним из ключевых подтверждений зарождавшейся 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 распределённым положительным зарядом, внутри которого "плавали" отрицательно заряженные электроны. Эта модель была опровергнута в результате знаменитых опытов, проведённых под руководством Эрнеста Резерфорда.

В 1909–1911 годах его сотрудники Ханс Гейгер и Эрнест Марсден проводили эксперименты по рассеянию альфа-частиц (положительно заряженных ядер гелия) на тонкой золотой фольге. Пучок альфа-частиц направлялся на фольгу, а за ней располагался экран, покрытый сульфидом цинка, который светился при попадании на него частицы.

Согласно модели Томсона, массивные и быстрые альфа-частицы должны были пролетать сквозь фольгу, испытывая лишь незначительные отклонения, так как положительный заряд в атомах был "размазан" по всему объёму. И действительно, подавляющее большинство частиц пролетало фольгу практически без отклонения.

Однако, к огромному удивлению экспериментаторов, небольшая часть альфа-частиц (примерно 1 из 8000) отклонялась на очень большие углы, а некоторые даже отбрасывались назад, в сторону источника. Резерфорд позже описал своё изумление так: "Это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, и он отскочил бы и ударил вас".

Проанализировав эти результаты, Резерфорд в 1911 году пришёл к выводу, что модель Томсона неверна. Чтобы объяснить рассеяние на большие углы, необходимо было предположить, что практически вся масса и весь положительный заряд атома сконцентрированы в очень малом объёме в его центре. Этот центральный объект Резерфорд назвал ядром. Электроны же, по его мнению, должны были вращаться вокруг этого ядра, подобно планетам вокруг Солнца.

Так родилась планетарная модель атома Резерфорда: крошечное, массивное, положительно заряженное ядро в центре и вращающиеся вокруг него на большом расстоянии лёгкие отрицательные электроны. Атом, согласно этой модели, оказался по большей части пустым пространством.

Ответ: Опыты по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге, проведённые Гейгером и Марсденом под руководством Резерфорда (1909-1911 гг.), показали, что большинство частиц пролетает сквозь фольгу, но некоторые рассеиваются на большие углы. Это привело Резерфорда к созданию планетарной модели атома, согласно которой атом состоит из малого, плотного положительного ядра и вращающихся вокруг него электронов.

История открытия теории относительности.

Теория относительности — фундаментальная физическая теория, созданная Альбертом Эйнштейном и состоящая из двух частей: специальной (СТО) и общей (ОТО).

Специальная теория относительности (1905 г.). К концу XIX века возникло противоречие между классической механикой Ньютона и электродинамикой Максвелла. Уравнения Максвелла предсказывали, что скорость света в вакууме постоянна и не зависит от скорости движения источника или наблюдателя, что нарушало классический закон сложения скоростей. Эксперимент Майкельсона-Морли (1887 г.), пытавшийся обнаружить движение Земли относительно гипотетического "светоносного эфира", дал отрицательный результат, усугубив кризис.

В 1905 году Эйнштейн разрешил это противоречие, положив в основу СТО два постулата:

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

2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей и не зависит от их движения.

Из этих, казалось бы, простых постулатов вытекали революционные следствия: относительность одновременности, замедление времени ($\Delta t = \gamma \Delta t_0$) и сокращение длины ($L = L_0 / \gamma$) для движущихся объектов, где $\gamma = 1/\sqrt{1-v^2/c^2}$. Вершиной СТО стала формула, связывающая массу и энергию: $E=mc^2$.

Общая теория относительности (1915 г.). СТО не описывала гравитацию. В течение десяти лет Эйнштейн работал над созданием релятивистской теории тяготения. Ключевой идеей стал "принцип эквивалентности": наблюдатель не может отличить действие гравитационного поля от действия ускорения.

В ОТО гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства-времени под действием массы и энергии. Массивные тела "продавливают" ткань пространства-времени, а другие тела движутся по кратчайшим путям (геодезическим линиям) в этом искривлённом пространстве. Связь между кривизной и материей описывается знаменитыми уравнениями Эйнштейна.

ОТО получила блестящие подтверждения: она объяснила аномальное смещение перигелия Меркурия, предсказала отклонение света в гравитационном поле (подтверждено в 1919 г. во время солнечного затмения) и существование гравитационных волн (обнаружены в 2015 г.).

Ответ: Теория относительности была создана А. Эйнштейном. Специальная теория (1905 г.) разрешила конфликт между механикой и электродинамикой, постулировав постоянство скорости света и относительность пространства и времени. Общая теория (1915 г.) стала новой теорией гравитации, описывающей её как искривление пространства-времени под действием массы и энергии.

Элементарные частицы.

Элементарные частицы — это фундаментальные, бесструктурные частицы, из которых, согласно современным представлениям, состоит вся материя и которые являются переносчиками фундаментальных взаимодействий. Наши знания о них систематизированы в рамках так называемой Стандартной модели.

Путь к понятию элементарной частицы был долгим: от атома, считавшегося неделимым, до открытия его компонентов — электрона (1897 г.), протона и нейтрона. В 1930-60-х годах в космических лучах и на ускорителях был открыт целый "зоопарк" новых частиц, что потребовало создания новой, более глубокой теории.

Стандартная модель, сформировавшаяся в 1970-х годах, описывает мир с помощью следующих частиц:

1. Фермионы (частицы вещества). Это "кирпичики", из которых состоит всё вещество. Они делятся на два класса, каждый из которых содержит по 6 частиц (и 6 античастиц), сгруппированных в три поколения.

- Кварки: верхний (up), нижний (down), странный (strange), очарованный (charm), прелестный (bottom) и истинный (top). Кварки участвуют в сильном взаимодействии и никогда не встречаются в свободном состоянии, а объединяются в адроны (например, протон = uud, нейтрон = udd).

- Лептоны: электрон, мюон, тау-лептон и три соответствующих им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино). Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.

2. Бозоны (частицы-переносчики взаимодействий). Эти частицы "отвечают" за фундаментальные силы природы.

- Фотон: переносчик электромагнитного взаимодействия.

- 8 глюонов: переносчики сильного ядерного взаимодействия, которое "склеивает" кварки в адронах.

- W+, W− и Z-бозоны: переносчики слабого ядерного взаимодействия, ответственного за некоторые виды радиоактивного распада.

3. Бозон Хиггса. Эта частица, открытая на Большом адронном коллайдере в 2012 году, является квантом поля Хиггса, которое, согласно Стандартной модели, придаёт массу всем элементарным частицам.

Несмотря на свой успех, Стандартная модель не является полной. Она не включает гравитацию, не объясняет существование тёмной материи и тёмной энергии, а также имеет ряд теоретических вопросов, на которые физики ищут ответы в теориях "за пределами Стандартной модели" (например, в теории суперсимметрии или теории струн).

Ответ: Элементарные частицы — это фундаментальные строительные блоки материи и переносчики взаимодействий, описываемые Стандартной моделью. Они включают фермионы (6 кварков и 6 лептонов), из которых состоит вещество, калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), переносящие силы, и бозон Хиггса, отвечающий за массу частиц.