Arystoteles ( p.n.e.) pierwsza teoria (spójny system opisu) świata

Transkrypt

1 Arystoteles ( p.n.e.) pierwsza teoria (spójny system opisu) świata Podstawy spekulatywnej fizyki Arystotelesa: 1. Podział świata na części rządzone odmiennymi prawami. 2. Ruch: urzeczywistnienie bytu potencjalnego, wymaga przyczyny. 3. Cztery rodzaje przyczyn (materialna, formalna, sprawcza i celowa). 4. Pojęcie miejsca naturalnego. 5. Ruch przemieszczający: naturalny lub wymuszony. 6. Zasady dynamiki Arystotelesa: - ciało nie poddane wpływom zewnętrznym jest w spoczynku - prędkość ciała wprawianego w ruch przez zewnętrzną przyczynę jest proporcjonalna do działającej siły i odwrotnie proporcjonalna do oporu ośrodka (użytych tu pojęć nigdy nie mierzono, nie sprawdzano ich zależności, sprawdził to dopiero Galileusz w XVII wieku). 7. Próżnia nie może istnieć. Wszystko, co się porusza, musi być poruszane przez coś; bo jeżeli nie ma źródła ruchu w sobie, jasne jest, że jest poruszane przez coś innego; musi być coś innego, co je porusza. Arystoteles - Fizyka, Księga 7 Jeżeli dany ciężar porusza się przez daną odległość w określonym czasie, ciężar większy przejdzie tę odległość w czasie krótszym, i czasy będą odwrotnie proporcjonalne do ciężarów: jeśli np. pół ciężaru przebędzie daną odległość w pewnym czasie, to cały ciężar przebędzie ją w czasie o połowę krótszym. Arystoteles - O niebie Ten pogląd wytrzymał 1900 lat! ( Galileusz)

2 Mikołaj Kopernik ( ) pierwsza teoria zjawisk astronomicznych poparta głównie dowodem matematycznym i oparta na zasadzie, że zjawisko przyrody ma przyczyny w innych zjawiskach Średniowiecze i następne epoki: formowanie pojęć fizycznych: Prędkości nie traktowano w starożytności ani też długo potem jako stosunku drogi do czasu, v=s/t, gdyż zgodnie z przekonaniem Greków proporcje (ilorazy) można było tworzyć tylko dla wielkości jednorodnych (tego samego rodzaju). Zatem prędkości dwóch ruchów porównywano albo porównując czasy przebycia takiej samej drogi, albo drogi przebyte w jednakowym czasie. Ta tradycja antyczna utrzymała się aż do połowy XVIII wieku! (A.K. Wróblewski Wykłady) Niektórzy byli bliscy pojęcia pędu czy też siły:...dlatego wydaje mi się, że musimy dojść do wniosku, iż czynnik poruszający nadaje ciału będącemu w ruchu pewien impetus, czyli pewną siłę poruszającą ciało w kierunku wskazanym przez ów czynnik poruszający, czy to w górę, czy w dół, w bok, lub po okręgu. Jeżeli siła poruszająca porusza pewne ciało prędzej, to o tyle samo większy jest impetus na to ciało wywierany. Dzięki temu impetusowi kamień jest w ruchu, chociaż rzucający już go nie porusza; jednakże wskutek oporu powietrza, a także wskutek ciężkości kamienia, która skłania go do poruszania się w kierunku przeciwnym do tego, jaki nadaje mu impetus - ten impetus stale słabnie. Dlatego ruch kamienia staje się coraz powolniejszy i w końcu impetus zostaje tak ograniczony lub zniszczony, że ciężkość kamienia przeważa i porusza kamień w dół ku jego naturalnemu miejscu. [ współcześnie: pęd, siła, położenie równowagi ] Jean Buridan ( ) cyt. wg: A.K. Wróblewski Wykłady

3 Galileo Galilei (Galileusz) ( ) Wykonał pierwsze eksperymenty fizyczne...bardzo wątpię czy Arystoteles kiedykolwiek sprawdził doświadczeniem, czy prawdą jest, że dwa kamienie, z których jeden waży dziesięć razy więcej niż drugi, będąc puszczone w tej samej chwili tak różnią się prędkością, że gdy cięższy osiągnął ziemię, drugi przebył zaledwie dziesięć łokci. Ja,... który wykonałem takie doświadczenie, mogę was zapewnić, że kula armatnia stu-, dwustufuntowa lub jeszcze cięższa, nie osiągnie ziemi ani o cal przed kulą z muszkietu ważącą tylko pół funta, jeżeli obie spadają z tej samej wysokości 200 łokci. Na drewnianej listwie lub belce długiej na 12 łokci, szerokiej na pół łokcia i grubej na trzy palce, został wycięty rowek... W tym rowku puszczaliśmy twardą, gładką i bardzo okrągłą kulkę z brązu. Ustawiwszy tę belkę w pozycji pochylonej przez podniesienie jednego jej końca na wysokość jednego lub dwóch łokci,... notując w niżej podany sposób czas potrzebny na przebycie przez nią całej jego długości... Potem próbowaliśmy inne odległości... W celu pomiaru czasu używaliśmy dużego naczynia z wodą. W dnie tego naczynia była umieszczona cienka rurka, przez którą wypływał cienki strumień wody; wodę tę zbieraliśmy w małym kubku przy każdej obserwacji czasu spadania. Wodę tak zbieraną każdorazowo ważyliśmy na bardzo dokładnej wadze... Przy stokrotnym powtarzaniu doświadczeń znajdowaliśmy stale, że przebywane odległości miały się do siebie tak jak kwadraty czasów i to dla każdego nachylenia belki... Stwierdziliśmy także, że czasy spadku dla różnych nachyleń belki miały się do siebie dokładnie w stosunku, który... nasz Autor przewidział i udowodnił. (Z księgi Discorsi, 1638 r.) [ Luneta; wszystkie 4 księżyce Jowisza ( Gwiazdy Medycejskie ); góry na Księżycu ] [ Pierwsza konstrukcja termometru ]

4 Isaac Newton ( ) fizyk, astronom, matematyk Rozwinął naukę o przestrzeni, czasie, masie ciał i siłach jako przyczynach ruchu i jego zmian. Trzy zasady dynamiki, prawo powszechnego ciążenia objaśnienie ruchu planet i praw Keplera, precesji, pływów oceanicznych Optyka rozszczepienie światła białego, optyka geometryczna, teoria korpuskularna światła Matematyka rachunek różniczkowy i całkowy (jednocześnie z A.W. Leibnizem) Philosophiae naturalis principia mathematica 1687 W początku 1665 r. znalazłem metodę przybliżania szeregów,... w listopadzie - metodę fluksji [rachunku różniczkowego], w styczniu następnego roku miałem teorię barw, a w maju zdobyłem dostęp do odwrotnej metody fluksji. W tym samym roku zacząłem myśleć o grawitacji sięgającej do orbity Księżyca... z prawa Keplera mówiącego o proporcjonalności kwadratów okresów obiegu planet do sześcianów odległości od środków ich orbit [a nie wskutek uderzenia przez spadające jabłko] wywnioskowałem, że siły utrzymujące planety na ich torach muszą być odwrotnie proporcjonalne do kwadratów odległości od środków, wokół których obiegają.... Wszystko to działo się w latach zarazy ; byłem wtedy w szczytowym okresie życia dla wynalazków i rozmyślałem wówczas o matematyce i filozofii więcej, niż kiedykolwiek potem... [a więc w wieku lat!] (tekst z roku 1718)

5 Mechanika Renè Descartes (Kartezjusz) w r. 1644: ilość ruchu = masa prędkość (pęd!) [ale nie w postaci równania, a tylko jakościowo, bo nie używał miary prędkości] Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) w r. 1686: ilość ruchu = masa kwadrat prędkości (energia kinetyczna!) Leonhard Euler ( ): - pojęcie punktu materialnego - zdefiniował złożone wielkości fizyczne: prędkość=droga/czas, oraz przyspieszenie - wprowadził pojęcie wielkości skierowanej (jeszcze nie wektora) - zdefiniował siłę i zapisał równanie Newtona: F x =m a x, F y =m a y, F z =m a z - opis ruchu harmonicznego i obrotów bryły sztywnej Rewolucja Francuska: wprowadzenie metrycznego systemu miar: r. Równania mechaniki do obecnie używanej, uogólnionej postaci doprowadzili: Jean de Rond d'alembert ( ) Joseph Louis de Lagrange ( ) Pierre Simon de Laplace ( ) William Rowan Hamilton ( )

6 Z końcem XVIII wieku - zaczęto odróżniać pojęcia ciepła i temperatury ( skale temperatur), - powstają pojęcia nieważkich fluidów: cieplika, flogistonu, eteru jako nośników oddziaływania ciał i tego, co później nazwano energią. Nadal brak ogólnego pojęcia energii. Elektryczność i magnetyzm Od ok roku: elektryzowanie ciał, "wstrząsy elektryczne". Od połowy XVIII wieku badania nad oddziaływaniem ciał naelektryzowanych (B. Franklin, P. Musschenbroek] Charles Augustin Coulomb ( ) - siła oddziaływania ładunków elektrycznych jest proporcjonalna do1/r 2 (doświadczenia w 1785) Georg Simon Ohm ( ) w roku 1825 stwierdza "ułamkową stratę siły elektrycznej" [tj. napięcia] wzdłuż drutu przewodzącego elektryczność i opisuje skomplikowanym wzorem matematycznym; bada też "działanie magnetyczne prądu" utrwala się pojęcie wirów lub naprężeń eteru, które powodują oddziaływania ciał naelektryzowanych na podobieństwo oddziaływań mechanicznych

7 Hans Christian Oersted ( ) w Kopenhadze w r odkrywa związek zjawisk elektrycznych i magnetycznych, dotąd traktowanych oddzielnie; w tym samym roku Arago i Davy wykazują trwałe magnesowanie żelaza wewnątrz cewki z prądem elektrycznym. Michael Faraday ( ) w 1831 r. odkrywa zjawisko indukcji elektromagnetycznej; odkrywa też prawa elektrolizy, polaryzację dielektryków, zjawisko magnetooptyczne, diamagnetyzm, paramagnetyzm oraz liczne prawa chemii jako pierwszy używa pojęć pola oraz linii sił. J. Henry (1832) - samoindukcja Heinrich Lenz (1834) "reguła Lenza" dot. indukcji elektromagnetycznej Pojęcie eteru wprowadził Thomas Young w 1801 r. dla potrzeb optyki falowej polaryzacja światła; 1817 (Fresnel i Young): światło to poprzeczne fale naprężeń w eterze prędkość światła (1849, 1862): Hippolyte Fizeau, Leon Foucault, analiza spektralna - około roku 1850: - Robert Wilhelm Bunsen ( ) oraz Gustav Robert Kirchhoff ( ) Termodynamika James Prescott Joule ( ) wykazał stałość proporcji między pracą mechaniczną i ilością otrzymywanego z niej ciepła i wyznaczył mechaniczny równoważnik ciepła (1843 r.); badał wydzielanie ciepła przez prąd elektryczny pojawia się ogólne pojęcie energii W.J.M. Rankine (1853): "termin energia można stosować do zwykłego ruchu i pracy mechanicznej, działań chemicznych, ciepła, elektryczności, magnetyzmu i wszystkich innych sił..." (... i wszystkich innych sił - w znaczeniu: innych oddziaływań)

8 Elektrodynamika James Clerk Maxwell ( ) - ogólna teoria zjawisk elektromagnetycznych - statystyczna teoria gazów - teoria sprężystości ośrodków ciągłych J.C. Maxwell Dynamiczna teoria pola elektromagnetycznego (1864): Pole elektromagnetyczne to ta część przestrzeni, która zawiera w sobie i otacza ciała znajdujące się w stanie elektrycznym lub magnetycznym Istnienie przenikającego wszystko ośrodka o małej lecz niezerowej gęstości, ośrodka, który może być wprawiany w ruch i przekazywać ten ruch między swymi częściami z prędkością wielką, lecz skończoną, musimy zatem przyjąć jako wniosek... (pojęcie eteru) Wektorową notację wprowadzono i po raz pierwszy zapisano przy jej pomocy równania Maxwella w 1885 roku (Josiah Gibbs, Oliver Heaviside): Istnienie eteru zostało ostatecznie podważone w doświadczeniu Alberta Michelsona i Edwarda Morleya (1887), które uznano później za potwierdzenie szczególnej teorii względności sformułowanej przez Alberta Einsteina w roku 1905.

9 Historyczny proces rozwoju fizyki wykazał przewagę metody naukowej nad próbami spekulatywnego opisu świata Metoda naukowa fizyki: zasada wyjaśniania zjawisk przyrody jako skutków innych zjawisk, przy zastosowaniu niewielkiej liczby praw rządzących tymi zależnościami, opis zjawisk przy użyciu odpowiednio zdefiniowanych pojęć ogólnych oraz wielkości mierzalnych, formułowanie ścisłych matematycznych zależności między wielkościami mierzalnymi (praw fizyki), działalność poznawcza: formułowanie hipotez i ich weryfikacja w odpowiednio zaprojektowanych doświadczeniach. Dzięki zastosowaniu ostrych kryteriów weryfikacji prawdy, wnioski z praw fizyki są całkowicie lub w wysokim stopniu pewne. Ograniczenia wynikają z przybliżeń w opisie układów złożonych lub z przybliżeń w obliczeniach matematycznych. Ogólność praw fizyki sprawia, że w jednakowym stopniu dotyczą one materii nieożywionej jak i organizmów żywych, zjawisk mikroświata jak i zjawisk astronomicznych, oraz zjawisk w bardzo szerokich zakresach czasu, rozmiarów, masy, prędkości ruchu, energii, etc.