Розвиток фізики в ІІ половині ХІХ–на початку ХХ століття (стр. 1 из 4)
Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України
Полтавський національний педагогічний університет імені В. Г. Короленка
Спеціальність: "Фізика та математика", "Фізика та основи інформатики"
ПЛАН-КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЇ
з дисципліни "Історія фізики"
Тема: "Розвиток фізики в ІІ половині ХІХ – на початку ХХ століття"
Підготувала магістрант групи Ф-61
Прудка Ірина Іванівна
Група: Ф-51, Ф-52
Курс: 5
Полтава-2011
І. Мета
1) навчальна: формувати в студентів знання про історію розвитку термодинаміки випромінювання, класичної електронної теорії, відкриття періодичної системи хімічних елементів, вчення про будову атома, теорію відносності, закону радіоактивного розпаду; розкрити внесок видатних фізиків ІІ половини ХІХ – початку ХХ століття в історію фізики;
2) розвивальна: формувати в студентів особистісне ставлення до відкриттів у історії фізики, розвивати пізнавальний інтерес до вивчення фізики, мотивацію навчання у ВНЗ;
3) виховна: виховувати повагу до людського розуму, патріотичне ставлення до фізиків-українців, позитивні риси особистості (цілеспрямованість, відповідальність, активність, кмітливість).
ІІ. Методи і прийоми навчання
передачі та обміну словесної інформації (розповідь, евристична бесіда, діалог);
переконування (дотримання логічної структури навчального матеріалу, апеляція до досвіду та знань студентів);
розумової діяльності (аналіз, синтез, порівняння, узагальнення, аналогія, дедукція, індукція).
ІІІ. Засоби навчання
комп’ютерна презентація "Розвиток фізики ІІ половини ХІХ – початку ХХ століття)"
IV. План лекції
1. Вступна частина (10 хв)
2. Основна частина
2.1 Термодинаміка випромінювання і виникнення гіпотези квантів. Досліди П. М. Лебедєва з світлового тиску (25 хв)
2.2 Створення класичної електронної теорії. Дослідження катодних променів, явища фотоефекту. Відкриття електрона. Виникнення теорії відносності (20 хв)
2.3 Періодичний закон Д. І, Менделєєва і роботи по вивченню будови речовини. Відкриття рентгенівських променів і радіоактивності (20 хв)
3. Підсумкова частина (5 хв)
V. Хід лекції
1. Вступна частина
Викладач вітається зі студентами. Говорить про назву теми лекції. Повідомляє тему і мету лекції, визначає основні питання лекції, основну та рекомендовану літературу. Налаштовує студентів на роботу, повідомляє зв'язок курсу з майбутньою професійною діяльністю.
2. Основна частина
2.1 Термодинаміка випромінювання і виникнення гіпотези квантів. Досліди П. М. Лебедєва з світлового тиску
В ІІ половині ХІХ століття термодинаміка теплового випромінювання стала одним з найактуальніших і провідних напрямків усієї тогочасної фізики. ЇЇ теоретичною розробкою зайнялися видатні фізики різних країн.
Перші зародки вчення про теплову радіацію припадають ще на кінець XVII – початок XVIII століття. Проте систематичне вивчення цього питання розпочалося після досліджень німецьких учених – фізика Густава Кірхгофа (1824-1887) і хіміка Роберта Бунзена (1811-1899), котрі в 1859 році відкрили спектральний аналіз, що став потужною зброєю в руках хіміків.
Кірхгоф та Бунзен методом спектрального аналізу виявили елементи Цезій (1860) та рубідій (1861).
У 1859 році Кірхгоф відкрив один з основних законів теплового випромінювання, який стверджує, що відношення випромінювальної і поглинальної здатності будь-якого тіла є величиною однаковою для будь-яких тіл і дорівнює випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла:
, де 
- універсальна функція температури і довжини хвилі. Знаючи універсальну функцію, можна визначити випромінювальну здатність будь-якого тіла, а поглинальна здатність визначається експериментально.У 1879 році австрійський фізик Жозеф Стефан (1835-1893) відкрив, що сумарна енергія всіх довжин хвиль, які випромінює чорне тіло, пропорційна четвертому степеню абсолютної температури. А в 1884 році Людвіг Больцман (учень Стефана) на основі ІІ начала термодинаміки вивів цей закон теоретично. З цього часу закон отримав назву закон Стефана-Больцмана.
1887 року російський фізик Володимир Міхельсон (1860-1927) опублікував свою роботу "Дослід теоретичного пояснення розподілу енергії в спектрі твердого тіла". В цій праці Міхельсон теоретично пояснив розподіл енергії в спектрі твердого тіла. Вчений поставив перед собою завдання, по-перше, показати можливість застосування теорії ймовірностей до молекулярної оптики і, по-друге, виявити, що на началах цієї теорії можна навіть при найпростіших і найзагальніших припущеннях про рух атомів у твердому тілі одержати результати, що досить детально характеризували б розподіл енергії в спектрі твердого тіла з якісного боку. В. Міхельсон одержав вираз
, близько підійшовши до закону зміщення 
(в спектрі для кожної температури є лише один максимум інтенсивності і положення цього максимуму залежить від температури).У 1882 році з’являється праця "Про променисту енергію" російського фізика Бориса Борисовича Голіцина (1862-1916). Навесні 1893 року праця Голіцина була подана в Московський університет як магістерська дисертація. Роботу хибно оцінили О. Г. Столєтов і А. П. Соколов. Рецензенти не зрозуміли важливості ідей Голіцин, які пізніше мали велике значення для розвитку всієї термодинаміки випромінювання. Б. Б. Голіцин у своїй роботі не тільки перший високо оцінив значення проблеми світлового тиску, а й розкрив принципове значення світлового тиску для експериментального підтвердження всієї термодинаміки випромінювання. Голіцин вказав внутрішній зв'язок ІІ начала термодинаміки з світловим тиском і вивів формулу для світлового тиску, яка була повністю експериментально підтверджена Лебедєвим. Борис Борисович уперше глибоко проаналізував і вказав шляхи розв’язання проблеми розподілу енергії в спектрі абсолютно чорного тіла.
Ідеї Б. Б. Голіцина знайшли своє відображення в роботах німецького фізика В. Віна (1864-1928), зокрема в 1894 році була знайдена загальна формула:
,де ν – частота;
Т – абсолютна температура;
- універсальна функція.З формули Віна закон Стефана-Больцмана і закон зміщення випливали як безпосередні наслідки.
У 1896 році Він знайшов другу формулу для визначення виду функції абсолютно чорного тіла:
,де λ – довжина хвилі;
Т – абсолютна температура;
С1 та С2 – сталі.
Однак ця формула не спрацювала експериментально для високих температур і великих довжин хвиль.
В липні 1900 року англійським ученим С. Релеєм була сформульована інша формула розподілу енергії при абсолютно чорному випромінювання. 1905 року англійський фізик Дж. Джинс (1877-1946) узагальнив незалежно від Релея цю формулу:
Ця формула виявилась правильною лише в граничному випадку малих частот. Для великих частот вона приводила до так званої "ультрафіолетової катастрофи", тобто давала безмежну енергію випромінювання. Значення формули Релея-Джинса: була показана неспроможність класичної фізики при розв’язанні таких проблем, як випромінювання абсолютно чорного тіла тощо.
Тільки в 1900 році німецький фізик Макс Планк (1858-1947) висунув принципово нову ідею квантового (перервного) характеру поглинання і випромінювання світлової енергії. Планк, інтерполюючи формули віна і Релея-Джинса, емпірично вивів формулу:
, яка повністю відповідала даним експерименту.Наприкінці 1900 року на Берлінському фізичному товаристві Планк довів, що його формула може бути виведена теоретично, якщо допустити, що величина енергії осцилятора завжди є цілою кратною величині hν, де ν – частота випромінювання, а h – нова фізична стала, названа пізніше сталою Планка:
. Ця формула стала першим відкриттям квантів світла.Наступним кроком у цьому напрямі були роботи Альберта Ейнштейна (1879-1955), який у 1905 році, продовжуючи дослідження М. Планка, створив фотонну теорію світла і вперше показав, що світлове поле являє собою сукупність елементарних світлових полів, фотонів чи квантів світла, що їх тіла незалежно випромінюють і незалежно поглинають. Ейнштейн на основі дискретної квантової структури поля випромінювання дав пояснення явищу фотоефекта, люмінесценції тощо.
Доведенням і обґрунтуванням теорії термодинаміки випромінювання стали досліди над світловим тиском, здійснені Петром Миколайовичем Лебедєвим (1866-1912) у Московському університеті. Лебедєв уперше експериментально підтвердив існування тиску світла не тільки на тверді тіла, а й на гази. Саме Лебедєву вдалося визначити величину світлового тиску:
,де Е – енергія, що падає за одиницю часу на поглинаюче тіло;
υ – швидкість променя в цьому середовищі.
В роботі "Досвідчене дослідження світлового тиску" (1901) Лебедєв описує свої досліди по світловому тиску.
Дослід учений проводив так, щоб газ міг вільно переміщуватися в напрямі променів, які його пронизують, і тиснув на дуже чутливий поршневий апарат, на який промені світла безпосередньо діяти не могли. Одержані П. М. Лебедєвим під дією сил світлового тиску слабкі газові потоки приводили в рух легенький поршень, підвішений до коромисла крутильних терезів, відхилення якого і давало можливість виміряти як чисельну величину тиску світла на гази, таким чином показавши реальність світлового тиску. Ефект світлового тиску використали для наочного співвідношення між масою і енергією.