Видеоурок по физике «Великие открытия в физике»

В истории человечества было множество величайших открытий, изменивших мир. Они способствовали развитию цивилизации на протяжении тысячелетий. И наша с вами цивилизация не существовала бы без технологий и научных изобретений: начиная от открытия огня, колеса и пенициллина до самых современных и передовых разработок в сфере искусственного интеллекта.

Конечно, выбрать несколько открытий из всех сложно. Поэтому рассмотрим те научные открытия, без которых не было бы современной науки и цивилизации.

Закон падающего тела

На протяжении многих тысячелетий люди полагали, что более тяжёлые объекты падают быстрее. Это мнение опиралось на труды древнегреческого философа Аристотеля, чьи идеи считались неоспоримыми. Однако в XVII веке итальянский учёный Галилео Галилей решил экспериментально проверить этот закон. Согласно преданию, он сбрасывал шары различной массы с вершины Пизанской башни и обнаружил, что все они достигали земли одновременно.

Этот эксперимент стал значительным шагом вперёд в развитии науки, положив начало практике проверки всех научных утверждений посредством опытов.

Всемирное тяготение

Это открытие произошло благодаря сэру Исааку Ньютону. Говорят, что однажды Ньютон сидел под яблоней в своём саду и отдыхал. Внезапно он увидел, как с ветки упало яблоко. Этот случай заставил его задуматься о причинах падения яблока на землю, тогда как Луна всегда остаётся в небе. Именно в тот момент Ньютон осознал, что на яблоко и Луну воздействует одна и та же сила — сила гравитации.

Таким образом, Ньютон открыл свой знаменитый закон всемирного тяготения, согласно которому гравитация оказывает влияние на все тела во Вселенной, включая яблоки, Луну, планеты и звёзды.

Понимание Ньютоном того, что каждый объект обладает собственной силой притяжения, стало выдающимся научным открытием. Однако его работа была ещё далека от завершения.

Законы движения

Ньютон стал символом физики для многих людей, ведь он, помимо всего прочего, открыл три закона движения, которые объясняют перемещение любого физического объекта. Эти открытия стали его вторым значимым достижением.

Открытия Ньютона в области механики Вселенной стали основой классической физики.

Второй закон термодинамики

Термодинамика — это наука о теплопередаче, превращающейся в механическую энергию. Она играла ключевую роль в технике во времена промышленной революции.

Немецкий учёный Рудольф Клаузиус в 1865 году сформулировал Второй закон термодинамики. Он гласит, что невозможно создать идеальный тепловой двигатель, который был бы на 100% эффективным. Часть энергии обязательно будет потеряна.

Второй закон термодинамики стал основой промышленной революции, но следующее великое открытие вывело мир на новый уровень развития.

Электромагнетизм

Сначала учёные научились создавать магнитные поля с помощью электричества, пропуская ток по изогнутому проводнику. В результате получается электромагнит. Когда подаётся ток, появляется магнитное поле; без напряжения — поля нет.

В тысяча 1831 году переплётчик и любитель электричества Майкл Фарадей стал первым, кто запустил этот процесс в обратном направлении. Он использовал движущееся магнитное поле для производства электроэнергии. Фарадей обнаружил, что, когда магнит движется внутри катушки, по её проводу протекает ток. По этому принципу работают все электрогенераторы.

Работы Фарадея были высоко оценены другим физиком, Джеймсом Клерком Максвеллом, который использовал их для лучшего понимания принципов электромагнетизма.

Представьте себе мир без открытий Фарадея и Максвелла: без электричества не существовало бы радио, телевидения, мобильных телефонов, спутников, компьютеров и всех средств коммуникации. Вы словно вернулись бы в XIX век, потому что без электричества мир выглядел бы совсем иначе.

Однако, делая свои открытия, Фарадей и Максвелл не знали, что их работа вдохновит одного молодого человека на изучение тайн света и его связи с величайшей силой Вселенной. Этим человеком был Альберт Эйнштейн.

Теория относительности

В 1905 году произошла революция в мире науки. Было сделано величайшее открытие. Молодой малоизвестный учёный, работавший в патентном бюро в швейцарском городе Берн, сформулировал революционную теорию. А звали его Альберт Эйнштейн.

Эйнштейн однажды сказал, что любую теорию нужно уметь объяснить ребёнку. Если дети не понимают объяснение, значит, теория бесполезна. Будучи ребёнком, Эйнштейн читал книгу об электричестве, которое только начинало развиваться. Телеграф тогда казался чудом. Автор книги предложил читателям представить себя путешествующими внутри провода вместе с сигналом. Возможно, именно тогда в голове юного Эйнштейна родилась его революционная идея.

В юности, вдохновлённый этой книгой, Эйнштейн представлял себе, как он движется вместе со светом. Он пришёл к выводу, что теория Ньютона, утверждающая, что время и пространство неизменны, неверна, если применять её к скорости света. Так началось формирование того, что он назвал теорией относительности.

В мире, который описал Ньютон, время и пространство существовали отдельно: когда на Земле было восемь утра, то же самое время было и на Марсе, и на Юпитере, и вообще по всей Вселенной. Время было тем, что никогда не отклонялось и не останавливалось.

Но Эйнштейн воспринимал время иначе. Время — это река, которая изгибается вокруг звёзд, иногда замедляясь, а иногда ускоряясь. Если пространство и время могут изменяться, то меняются и наши представления об атомах, телах и обо всей Вселенной!

Через несколько месяцев после публикации теории относительности Эйнштейн сделал следующее великое открытие: знаменитое уравнение, ставшее самым известным в истории.

E = mc²

Вероятно, это самая известная формула в мире. В рамках теории относительности Эйнштейн доказал, что при приближении к скорости света условия для объектов меняются невероятным образом: время замедляется, пространство сжимается. Эта формула показала, что в небольшом предмете может содержаться колоссальная энергия. Представьте, что вам бросают бейсбольный мяч и вы его ловите. Чем сильнее его бросают, тем большей энергией он обладает. Что касается состояния покоя, Эйнштейн обнаружил, что даже в этом состоянии тело обладает огромной энергией.

Открытие Эйнштейна стало гигантским скачком в науке. Это был первый взгляд на мощь атома.

Нейтрон

О существовании атомов человечество узнало в начале ХХ века. Считалось, что электроны и протоны равномерно распределены в атоме, и это называлось моделью «пудинг с изюмом», или «пудинговой моделью», так как электроны рассматривались как изюминки внутри пудинга.

Примерно в тоже время Эрнест Резерфорд провёл эксперимент, чтобы попытаться глубже изучить структуру атома. Он вместе с помощниками направил радиоактивные альфа-частицы на золотую фольгу, желая увидеть, что произойдёт, когда частицы столкнутся с золотом. Он не ожидал ничего необычного, думая, что большинство альфа-частиц просто пройдёт сквозь золото, не отражаясь и не меняя направления. Однако результаты оказались неожиданными. Некоторые альфа-частицы резко отскакивали от золотой фольги. Это могло произойти только в том случае, если внутри атома было небольшое количество плотного вещества, которое не было равномерно распределено, как изюм в пудинге. Резерфорд назвал это вещество ядром.

Благодаря открытию Резерфорда учёные узнали, что атом состоит из ядра, протонов и электронов. Картину дополнил Джеймс Чедвик — ученик Резерфорда.

Чедвик провёл эксперимент, который показал, что ядро состоит не только из протонов, но и нейтронов. Для их нахождения он использовал очень умный метод идентификации частиц. Чтобы поймать новые частицы (нейтроны), вылетающие в ходе радиоактивного распада, Чедвик применил твёрдый парафин.

Открытие нейтрона стало величайшим научным достижением. Вскоре учёные начали использовать нейтрон для расщепления атома, открывая путь в эпоху ядерных технологий.

Кварк

Сначала был открыт электрон, затем протон, а потом нейтрон. Это позволило создать новую модель атома, из которого состоит любое вещество.

С развитием ускорителей, способных сталкивать субатомные частицы на скоростях, близких к световой, человек узнал о существовании множества новых частиц, на которые распадаются атомы.

Американский физик Марри Гелл-Ман предположил, что нейтрон и протон не являются элементарными частицами, как считалось ранее, а состоят из ещё более мелких частиц — кварков, обладающих необычными свойствами.

За своё открытие учёный получил Нобелевскую премию по физике.

И хотя Гелл-Ман был уверен в существовании кварков, он не предполагал, что кто-либо сможет их реально обнаружить. Тем не менее эксперименты его коллег, проведённые на Стэнфордском линейном ускорителе, подтвердили теорию учёного. В частности, была получена макрофотография протона, которая продемонстрировала наличие в нем трёх кварков.

Ядерные силы

Стремление человечества найти ответы на все вопросы о Вселенной привело нас как к изучению микромира внутри атомов и кварков, так и к исследованию дальнего космоса за пределами нашей галактики.

После открытий Исаака Ньютона и Майкла Фарадея учёные полагали, что у природы есть две основные силы: гравитация и электромагнетизм. Однако в ХХ веке были обнаружены ещё две силы. Таким образом, число природных сил увеличилось до четырёх.

Каждая сила действует в своём диапазоне. Гравитация удерживает нас на поверхности Земли и не даёт улететь в космос. Электромагнитные силы включают в себя свет, телевидение, Интернет и многое другое. Существует также ядерное притяжение, которое не позволяет ядру распасться. И ядерная энергия, излучающая радиоактивность, загрязняющая окружающую среду и, кстати, нагревающая центр Земли. Благодаря ей центр нашей планеты остаётся горячим уже миллиарды лет.

Последние две силы часто называют квантовыми силами. Их описание можно объединить в концепцию, известную как «стандартная модель». Однако учёным этого недостаточно. Сейчас они стремятся создать новую теорию — «Теорию Всего», которая объединила бы все четыре силы в одну суперсилу, существующую с самого начала времён.

Конечно, в видеоуроке представлен не полный список научных открытий и достижений. Но одно ясно точно: каждое открытие ведёт к новым исследованиям. А люди как самый любопытный вид на планете никогда не перестанут стремиться понять, искать и открывать.