Р Е Ф Е Р А Т

Дисциплина: «Концепции современного естествознания»

Тема: «Вклад Галилея в основание классической физики»

Выполнил: Сапсай А. В.

Студент группы ГМУ 10-2б

Проверил: Томашевская Е. П.

Якутск 2013

Содержание

Введение……………………………………………………………………….3

1. Галилей – основоположник динамики……………………………..4

2. Инерция движения…………………………………………………..8

3. Законы свободного падения………………………………………..10

4. Проблема траектории брошенного тела…………………………..13

5. Принцип относительности…………………………………………15

Заключение……………………………………………………………………17

Список использованной литературы………………………………………...18

Введение

«Кто возьмет на себя смелость поставить

предел человеческому духу?

Кто решится утверждать, что

мы знаем все, что может быть познано?»

Г. Галилей

Великий итальянский ученый Галилео Галилей по праву считается одним из основоположников опытного естествознания и новой науки. Именно он впервые сформулировал требования к научному эксперименту, состоящие в устранении побочных обстоятельств, в умении видеть главное и отвлечься от несущественного. Путем эксперимента Галилей опроверг учение Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тела. Он был первым, кто направил подзорную трубу на небо в научных целях, тем самым значительно расширив сферу познания. Это был переворот в мировоззрении и методе науки: бесконечная вселенная могла исследоваться методами земной механики.

Свои взгляды на методы научных исследований он сформулировал словами: «Философия записана в огромной книге, раскрытой перед нашими глазами. Однако нельзя понять книгу, не зная языка и не различая букв, которыми она написана. Написана же она на языке математики, а ее буквы – это треугольники, окружности и другие геометрические фигуры, без помощи которых ум человеческий не может в ней ни слова; без них мы можем лишь наугад блуждать по темному лабиринту».

Галилей верил в силу человеческого разума, в бесконечность познания. Он расчистил путь для творцов современной и классической физики, и его бессмертные творения всегда будут служить примером того, как гениально он «… всю жизнь читал открытую для всех книгу природы…».[1]

1. Галилей – основоположник динамики.

Для введения экспериментального метода в механику было недостаточно лишь осознания его необходимости. Требовалось не только уметь ставить опыты, но и выводить из них теоретические правила – законы. Ввод законов мог быть сделан путем математической обработки результатов экспериментов.

В XVI веке в Италии уже работало много математиков. Эти ученые обладали достаточными познаниями для вывода законов механики. Но они не были экспериментаторами и не могли дать новое направление этой науке. Делавшие же опыты художники, техники и ремесленники не обладали систематической научной подготовкой. Поэтому и они также не были в состоянии из результатов своих опытов выводить общие законы.

Только гениальному Галилею, обладавшему талантом экспериментатора и математическими познаниями, удалось заложить основы учения о движении – динамики.

Во времена юности Галилея схоластическое естествознание было основано на безусловном признании мнений авторитетов. Оно исключало самую возможность критики, если даже она исходила из результатов опыта и наблюдений. Исследовательский дух Галилея не мог примириться с мертвой схоластикой. Он чувствовал большой интерес к технике, к прикладной механике и математике. Его отличительной чертой, как ученого, было стремление связать теорию с практикой. Поэтому, оставив оторванную от жизни схоластику, Галилей охотно взялся за изучение прикладной математики. Он близко познакомился с проведением каналов, подъемными машинами, регулированием рек и другими вопросами практической гидравлики. В 1586 г. Галилей построил чувствительные и точные гидростатические весы для определения относительной плотности тел. В небольшой работе он описал эти весы и способ их применения, проявив стремление к необычной для того времени точности. Как техник Галилей выступил с изобретенным им прибором для топографических съемок, приспособленным для военных целей.

Но интересы Галилея не исчерпывались практической техникой. С самого начала своей деятельности он отдавал много времени и сил теоретическим исследованиям.

Для Галилея была характерна его способность от вопросов техники переходить к глубоким теоретическим соображениям. В отличие от его предшественников и современников, у него теория всегда получала перевес над техникой.

Первой его теоретической работой было исследование о центре тяжести тел, написанное вскоре после начала изучения им математики. В этой работе Галилей показал себя хорошим геометром. Но все интересы великого ученого уже тогда сосредоточились на механике. Равновесие и движение тел – вот над чем размышлял Галилей в свободное время. Чтобы найти законы движения, например, свободного падения тел, нужно было оторваться от представлений статики. Динамика была новой областью исследования. Общепринятое тогда деление движений на «естественные» и «насильственные» только затуманивало вопрос о движении тел.

Вскоре, от практических вопросов баллистики Галилей перешел к теоретическим исследованиям движения тел. В Падуе Галилей начал свою раннюю работу – «О движении», в набросках которой отразилось негодование молодого исследователя по поводу невежества его противников. Да и сам Галилей, получивший схоластическое образование, еще испытывал затруднение в изложении своих идей. Но позднее, работая над сочинением «Учение о движении тел под действием тяжести», законченным в 1609 г. Галилей уже показал себя замечательным исследователем. В этой работе он изложил результаты своих наблюдений над падением тел, сброшенных с высоты.

Даже в этих ранних работах Галилей полностью отказался от умозрительных методов аристотелианцев. «Мы будем, - писал он, - пользоваться таким методом, чтобы требующееся доказательство выводилось из доказанного; и я никогда, если будет возможно, не буду класть в основу то, то еще нужно доказать, а лишь истинное». Это метод математики.

Галилей был более опасным врагом схоластов, чем эмпирики – художники и техники, признающие опыт единственным источником познания. Он обладал основательным знанием аристотелевской физики. По его собственным словам, изучению схоластической физики он посвятил больше дней, чем математике часов. Поэтому, выступая против схоластов, он мог наносить удары их же собственным оружием.

Вместе с этим Галилей был ярким представителем нового мировоззрения: в отличие от Аристотеля, он котел понять не «как», а «почему» движутся тела.

Галилей не ставил и не пытался разрешать философских вопросов о природе движения, пространстве и времени. Он был прежде всего механик и математик и с такой точки зрения изучал движение.

Обладая редким талантом экспериментатора, Галилей искал приложимых к технике результатов исследования, а не отвлеченного знания. Ему было важно предсказать, по какому пути, и с какой скоростью и какое расстояние пройдет движущееся тело в определенный промежуток времени.

Галилей понимал, что тело движется под действием сил природы. Движение зависит как от самого тела, так и от действующей на него силы. А свойства сил и тел природы, конечно, можно постичь только из наблюдений и опыта.

В упомянутых выше ранних трудах Галилея уже были заложены основы динамики. Но ему не удалось тогда опубликовать эти работы. Позднее же, после астрономических открытий 1610 г., Галилей надолго посвятил свое время защите идеи о движении Земли. И только после осуждения Галилея в 1633 г. инквизиторами, лишившего его возможности продолжать борьбу за идеи Коперника, он снова обратился к механике.

В наше время уже по достоинству оценены его гениальные исследования в этой области. Именно на это указал знаменитый французский механик XVIII века Лагранж, сказав, что «открытие спутников Юпитера, фаз Венеры, солнечных пятен и так далее потребовало лишь наличия телескопа и известного трудолюбия, но нужен был необыкновенный гений, чтобы открыть законы природы в таких явлениях, которые всегда пребывали перед глазами, но объяснение которых всегда ускользало от изыскания философов».

2. Инерция движения.

Некоторое представление об инерции тел было известно с древнейших времен. Всегда люди знали, что предметы не начинают двигаться сами по себе, без действия на них силы: тяжести перевозились лошадьми, пыль переносилась ветром, мельницы приводились в движение водой.

Из таких наблюдений и вытекали воззрения древних ученых на движение тел. Например, Аристотель не имел никакого понятия об инерции движения. Он был уверен, что тело движется только под действием силы и немедленно останавливается, как только прекращается ее действие.

Леонардо да Винчи и Бенедетти еще смутно представляли себе инерцию движения. Только Галилей вполне ясно осознал это явление. Он ввел в механику и сам термин «инерция», впервые упомянутый Кеплером.

Современники Галилея, усваивавшие в университете динамику Аристотеля, не были подготовлены к восприятию этого нового понятия в механике. Поэтому Галилею пришлось выдержать упорную борьбу со схоластами.

Аристотелю постоянно приходилось придумывать объяснения, которые если и могли быть приняты, то только для конкретного данного случая. Схоласты даже и не стремились сами объяснить явления природы. Им достаточно было знать, что говорил об этом Аристотель.

А Галилей искал законы движения тел. Он открыл инерцию, объясняющую и полет брошенного камня, и движение лодки, когда подняты весла.

Свойство инерции тел установлено наблюдением. Равномерное движение сохраняется тем дольше, чем меньше препятствий оно встречает на своем пути: брошенный шар катится по садовой дорожке значительно дальше, чем по траве; еще дальше он покатится по доскам и тем более по гладкому льду, потому что на садовой дорожке трение меньше, чем на траве, на досках – меньше чем на дорожке, и еще меньше трение на льду.

Из подобных наблюдений Галилей сделал вывод о том, что равномерное прямолинейное движение – такое же естественное состояние тела, как и покой.

Доказать теоретически существование инерции тел нельзя: это – свойство физических тел, и оно может быть познано только путем наблюдений и опыта. К такому воображаемому опыту (предполагая, что нет трения) и прибегал Галилей, чтобы убедить своих современников в существовании инерции.

В своих «Беседах и математических доказательствах о двух новых науках» Галилей дал четкое и ясное утверждение: «Когда тело движется по горизонтальной плоскости, не встречая никакого сопротивления движению, то… движение его является равномерным и продолжалось бы бесконечно, если бы плоскость простиралась в пространстве без конца».

Вводя понятие инерции движения, Галилей решительно порывал с динамикой Аристотеля, подрывая самые основы натурфилософской механики.

Вместе с тем, инерция позволила Галилею правильно понять, как движется тело под действием на него постоянной силы.

3. Законы свободного падения.

Первой проблемой, которой занялся Галилей, было свободное падение тел.

Свободное падение издавна привлекало наибольшее внимание механиков и мыслителей. В средние века оно занимало умы уже не только ученых. О нем велись оживленные беседы при дворах итальянских герцогов, в мастерских художников и ремесленников. Всех удивляло, почему свинцовый шар при падении не обгоняет деревянный, хотя первый гораздо тяжелее второго. Но как ни убедительно было свидетельство опыта, схоласты продолжали верить Аристотелю, будто бы, чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает.

Еще в Пизе Галилей не раз поднимался на наклонную башню для опытов, приглашая присутствовать при них и своих противников. Он сбрасывал с башни ядра разного веса, показывая, что они одновременно падают на землю.

Но, несмотря на очевидность заблуждений Аристотеля, схоласты отрицали значение опытов Галилея. Они указывали на ничтожное отставание менее тяжелых ядер. Между тем, оно легко объяснялось влиянием сопротивления воздуха, больше действовавшего на менее тяжелые тела.

Чтобы бить своих врагов их же собственным оружием, Галилей прибегал к чисто логическим доказательствам в духе того времени. Он указывал, например, что «если одна лошадь может пробегать в час 3 мили и другая столько же, то они не пробегут 6 миль в час, если запрячь их вместе».

Конечно, это – только остроумное сравнение, а не доказательство. Более серьезное значение, как казалось, могло иметь следующее указание Галилея на внутреннее противоречие в учении Аристотеля о падении тел: если более тяжелое тело падает быстрее, чем легкое, то какова скорость падения связанных вместе этих тел? Тяжелое должно ускорять, а легкое замедлять падение связанного с ним тела. Значит, скорость должна быть некоторой средней. По учению же Аристотеля, она должна быть большей, чем у тяжелого тела.

Понятно, что подобное рассуждение не могло решить проблему свободного падения. В нем Галилей обращается к еще более сложной проблеме – взаимодействию тел, законы которого отнюдь не очевидны.

Галилей и не довольствовался такими рассуждениями. Он правильно думал, что только опыт может подвести к открытию законов движения тел. И Галилей прибегнул к опыт с маятником – колеблющимся тяжелым шариком на тонкой нити.

Колебание мятника происходит потому, что отведенный в сторону грузик падает. Но нить удерживает его на одном и том же расстоянии от точки подвеса. Поэтому грузик движется по дуге круга.

Достигнув низшей точки, грузик по инерции поднимается до прежней высоты и останавливается. Затем он снова падает и так колеблется из стороны в сторону, пока его не остановит сопротивление воздуха.

Галилей пробовал подвешивать на нити свинцовую пулю, пробку, глиняный шарик. Все маятники при равной длине совершали колебания в одинаковый промежуток времени. Значит, скорость падения грузиков не зависит от их веса. Но по каким законам движется свободно падающее тело? Это еще никому не было известно. Только Галилей, положивший в основу своих исследований инерцию движения, сумел вывести эти законы.

Прежде всего, он ввел понятие о средней скорости. Положим, что, двигаясь ускоренно, тело прошло в течение некоторого времени определенное расстояние. Можно представить, что за то же время оно могло пройти такое расстояние, двигаясь равномерно. Скорость, которую оно должно иметь в этом случае, и есть средняя скорость. Это понятие было новым во времена Галилея. Еще менее ясным казалось тогда представление об ускорении и вызывающей его причине.

Галилей первым объяснил причину ускорения свободно падающего тела. Он понял, что сила тяжести в каждое мгновение сообщает телу движение, сохраняющееся по инерции. Значит, под влиянием силы тяжести скорость свободного падения должна непрерывно увеличиваться. Изучая движение падающих тел, Галилей предположил, что ускорение постоянно, то есть увеличение скорости одинаково за каждую секунду.

«Приращение скорости мы проще всего можем представить себе, - писал он, - как происходящее в соответствии с такими же равными промежутками времени. Умом своим мы можем признать такое движение единообразным и неизменно равномерно ускоряющимся».

Сделав такое предположение, Галилей мог уже теоретически вывести законы свободного падения тел. Из постоянства ускорения следовало, что под действием силы тяжести скорость падающего тела возрастает пропорционально времени. А, вычислив среднюю скорость, легко найти и пройденное телом расстояние.

Свои предположения Галилей подтвердил известным нам опытом со скатыванием шариков по наклонной плоскости.

4. Проблема траектории брошенного тела.

Открытие законов свободного падения было началом динамики. Оно позволило немедленно же разрешить давнишнюю проблему о траектории движения пушечного ядра, которая имела важный практический характер.

Ядро вылетает из пушки под огромным давлением расширяющихся горячих газов. При выходе из ствола оно двигалось бы по инерции равномерно и прямолинейно, если бы его не притягивала Земля. Но как только оно покинет ствол пушки, притяжение Земли заставляет его падать.

Траектория брошенного тела определяется сложением поступательного движения и свободного падения.

Понятие о независимости движений было известно еще Аристотелю, указавшему правило их сложения: совершая движение в двух различных направлениях, тело движется по диагонали параллелограмма, построенного на скоростях этих движений.

Но почему ни Аристотель, ни его последователи не решили проблему траектории брошенного тела? Этому помешало их пренебрежение опытом: сложение движений они рассматривали только как геометрическую теорему. Но они не наблюдали движений физических тел и не знали, что реальные движения в действительности именно так и слагаются. Только поэтому аристотелианцы и могли утверждать, будто бы ядро сперва летит прямолинейно в направлении выстрела, а затем падает вертикально. Ошибочность этого мнения легко было доказать, бросив камень и наблюдая его движение.

Галилей же применил кинематическое правило сложения движений к действительному движению физических тел. Так, например, описывая воображаемый опыт с шаром, который катится по горизонтальной плоскости, он говорил: «… если же плоскость конечна и расположена высоко, то тело, имеющее вес, достигнув конца плоскости, продолжает двигаться далее таким образом, что к его первоначальному, равномерному, беспрепятственному движению присоединяется другое, вызываемое силой тяжести, благодаря чему возникает сложное движение, слагающееся из равномерного горизонтального и естественного ускоренного движения».

Исследовав траекторию ядра, Галилей решил одну из важнейших проблем баллистики. После этого можно было составлять таблицы для точной наводки орудий.

Галилей понимал, что выведенные им законы динамики вполне справедливы, только когда движущееся тело не встречает препятствий на своем пути. Но свободно падающие или брошенные тела движутся в воздухе, сопротивляющемся движущимся в нем телам. Поэтому свободное падение в атмосфере не может быть строго равномерно-ускоренным: по мере возрастания скорости очень быстро увеличивается и сопротивление воздуха. Ускорение постепенно уменьшается, и, достигнув определенной скорости, свободно падающее тело движется равномерно.

Эти отступления не умаляют значения законов динамики, открытых Галилеем. Эти законы служат основой для расчетов свободного движения тел.

5. Принцип относительности.

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея-Ньютона и электродинамики Максвелла-Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем.

Исходным пунктом этой теории стал принцип относительности. Классический принцип относительности был сформулирован Галилео Галилеем: «Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой». Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущихся сил».

Галилей разъяснял это положение различными наглядными примерами. Представим путешественника в закрытой каюте спокойно плывущего корабля, он не замечает никаких признаков движения. Если в каюте летают мухи, они отнюдь не скапливаются у задней стенки, а спокойно летают по всему объему. Если подбросить мячик прямо вверх, он упадет прямо вниз, а не отстанет от корабля, не упадет ближе к корме.

Из принципа относительности следует, что между покоем и движением, если оно равномерно и прямолинейно, нет никакой принципиальной разницы. Разница только в точке зрения.

Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания считать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или нет?

На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто «да» или «нет». Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения и отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительно» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в движение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятие покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Заключение

Огромный вклад Галилея в развитие науки нашел свое признание. Наибольшее значение имеют такие его научные исследования, как открытие закона инерции, изобретение телескопа, его астрономические наблюдения и его гениальные труды, в которых он доказал правоту гипотез Коперника. Вклад великого итальянского ученого высоко оценен человечеством. Его принцип относительности дал толчок для разработки более совершенной теории.

Еще большего признания заслуживает его роль в развитии методологии науки. Многие жившие до него философы-натуралисты, ориентирующиеся на Аристотеля, делали упор на качественность своих наблюдений и классификацию явления. Что же касается Галилея, то он подходил к явлению с позиции его точности и делал количественные наблюдения. Этот акцент на тщательном количественном измерении стал основным методом научного исследования.

Галилею в большей степени, чем кому-либо другому, был присущ эмпирический подход к научному познанию. Он был первым, кто настаивал на необходимости проведения экспериментов. Он отказался от представления, что научный вопрос может быть решен при опоре на авторитет, будь то мнение церкви или утверждение Аристотеля. Он также не хотел опираться на сложные дедуктивные схемы, которые не были подкреплены опытным путем. Средневековые схоласты долго обсуждали вопрос о том, что должно произойти и почему это происходит, Галилей же при проведении опыта стремился определить, что в действительности должно произойти. И ему это блестяще удавалось.

Список использованной литературы

1. Бублейников Ф.Д. О движении; М.; ДетГиз, 1956 г.

2. Грушевицкая Т.Г. Концепция современного естествознания; М.;1998

3. Горелов А.А. Концепция современного естествознания; М.; 1998.

4. Еремеева А.И. Астрономическая картина мира и ее творцы; М.; 1984.

5. Горфункель А.Х. Философия эпохи Возрождения; М.; 1980 г.

1 Галилей Г. Избранные труды: в 2-х т. – М.:Наука, 1964