Номер 1, страница 297 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. I. История развития физики - номер 1, страница 297.

Условие.

Развитие представлений об электрических и магнитных явлениях.

Решение.

Решение

Развитие представлений об электрических и магнитных явлениях — это многовековая история, прошедшая путь от наблюдений за загадочными природными феноменами до создания единой теории электромагнетизма, ставшей одним из столпов современной физики. Этот путь можно разделить на несколько ключевых этапов.

1. Древний мир и Средневековье: Первые наблюдения

Еще в Древней Греции было замечено, что янтарь (по-гречески — электрон), потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы, такие как пух или соломинки. Это было первое задокументированное наблюдение электрического явления. Параллельно было известно о свойствах природного минерала магнетита (магнитного железняка), найденного вблизи города Магнесия, притягивать железные предметы. Долгое время эти два явления — электричество и магнетизм — считались совершенно не связанными друг с другом и рассматривались как таинственные природные силы.

2. XVII–XVIII века: Начало систематических исследований

Научная революция дала толчок к систематическому изучению этих явлений. В 1600 году английский врач и физик Уильям Гильберт в своем труде «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле» впервые разделил электрические и магнитные явления и пришел к выводу, что Земля сама является гигантским магнитом. В последующие два столетия было сделано множество открытий: изобретен первый электростатический генератор (Отто фон Герике), введено понятие проводников и изоляторов (Стивен Грей), открыты два рода электрических зарядов, которые Бенджамин Франклин условно назвал положительными и отрицательными. Кульминацией этого этапа стал закон Шарля Кулона (1785 г.), который количественно описал силу взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами:

$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$

где $\text{F}$ — сила взаимодействия, $q_1$ и $q_2$ — величины зарядов, $\text{r}$ — расстояние между ними, а $\text{k}$ — коэффициент пропорциональности. Этот закон заложил основы электростатики.

3. Начало XIX века: Установление связи между электричеством и магнетизмом

Революционным шагом стало изобретение Алессандро Вольтой в 1800 году первого химического источника постоянного тока — вольтова столба. Это позволило изучать не статическое, а движущееся электричество. В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед во время лекции обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводу, отклоняет стрелку магнитного компаса. Это было первое экспериментальное доказательство связи между электричеством и магнетизмом. Работы Эрстеда вдохновили Андре-Мари Ампера, который в течение нескольких недель сформулировал математический закон, описывающий силовое взаимодействие проводников с током, и выдвинул гипотезу о том, что магнетизм обусловлен круговыми токами внутри молекул вещества. В 1831 году Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции: переменное магнитное поле порождает электрический ток. Это открытие легло в основу создания электрогенераторов. Фарадей также ввел фундаментальное понятие силовых линий и поля, представляя, что заряды и токи не действуют друг на друга на расстоянии, а создают в окружающем пространстве поля, которые уже и оказывают силовое воздействие.

4. Конец XIX века: Теория электромагнитного поля Максвелла

Джеймс Клерк Максвелл обобщил все известные к тому времени экспериментальные законы (Кулона, Ампера, Фарадея) в единой системе из четырех уравнений. Эти уравнения, известные как уравнения Максвелла, стали математическим фундаментом всей классической электродинамики. Из своих уравнений Максвелл сделал два гениальных вывода. Во-первых, переменное электрическое поле порождает магнитное поле, даже в отсутствие токов проводимости. Во-вторых, существуют электромагнитные волны — распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Скорость этих волн в вакууме, вычисленная из уравнений, совпала с уже известной скоростью света, что позволило Максвеллу выдвинуть гипотезу о том, что свет является электромагнитной волной. В 1887 году Генрих Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, сгенерировав и зарегистрировав их в своей лаборатории. Теория Максвелла не только объединила электричество, магнетизм и оптику, но и предсказала существование всего спектра электромагнитных волн, от радиоволн до гамма-лучей.

5. XX век и современность: Релятивистская и квантовая природа электромагнетизма

Дальнейшее развитие было связано с открытием дискретной природы электрического заряда. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон — элементарную частицу, носитель отрицательного заряда. Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна (1905 г.) показала, что электрическое и магнитное поля являются не самостоятельными сущностями, а двумя проявлениями единого электромагнитного поля. Их разделение зависит от системы отсчета наблюдателя. Создание квантовой механики и, в частности, квантовой электродинамики (Р. Фейнман, Д. Швингер, С. Томонага) позволило описать электромагнитное взаимодействие на микроуровне как обмен частицами-переносчиками — фотонами.

Таким образом, представления об электрических и магнитных явлениях эволюционировали от разрозненных наблюдений к пониманию их глубокой взаимосвязи и, наконец, к созданию одной из самых полных и точных теорий в физике — теории электромагнетизма.

Ответ: Развитие представлений об электричестве и магнетизме прошло путь от древних наблюдений за притяжением янтаря и магнетита, через систематические исследования XVII-XVIII веков (закон Кулона), к установлению связи между ними в XIX веке (опыты Эрстеда, Ампера и Фарадея) и их полному объединению в теории электромагнитного поля Максвелла, которая предсказала существование электромагнитных волн и отождествила свет с ними. В XX веке теория относительности показала взаимозависимость электрического и магнитного полей, а квантовая электродинамика описала их взаимодействие на уровне элементарных частиц.