Контрольная работа по «Концепции Современного Естествознания»

Шарль де Кулон родился 14 июня 1736 года в Ангулеме, в семье правительственного чиновника. Учился в одной из лучших школ для молодых людей дворянского происхождения «Коллеже четырёх наций» (Коллеж Мазарини). После окончания этого заведения сдал экзамены и в феврале 1760 года поступил в Военно-инженерную школу в Мезьере, одно из лучших высших технических учебных заведений XVIII века. Окончил Школу в 1761 году, получил чин лейтенанта и был направлен в Брест, где чуть больше года занимался картографическими работами. Затем в течение нескольких лет Кулон служил в инженерных войсках на принадлежавшем Франции острове Мартиника в Форте Бурбон. Много раз тяжело болел. По состоянию здоровья был вынужден вернуться во Францию, служил в Ла-Рошели и Шербуре. В 1781 году обосновался в Париже, служил интендантом вод и фонтанов. После начала революции в 1789 году ушёл в отставку и перебрался в своё поместье в Блуа.

Ещё в начале 1770-х годов, вернувшись с Мартиники, Кулон активно занялся научными исследованиями. Публиковал работы по технической механике (статика сооружений, теория ветряных мельниц, механические аспекты кручения нитей и т. п.). Кулон сформулировал законы кручения; изобрёл крутильные весы, которые сам же применил для измерения электрических и магнитных сил взаимодействия. В 1781 году описал опыты по трению скольжения и качения и сформулировал законы сухого трения. В том же году стал членом Парижской Академии наук. С 1785 по 1789 год опубликовал семь мемуаров, где сформулировал закон взаимодействия электрических зарядов и магнитных полюсов (закон Кулона), а также закономерность распределения электрических зарядов на поверхности проводника. Ввёл понятия магнитного момента и поляризации зарядов.

Закон Кулона количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть  установлен при помощи эксперимента и не следует ни из какого другого закона природы. Он сформулирован для неподвижных точечных зарядов в вакууме. В реальности точечных зарядов не существует, но такими можно считать заряды, размеры которых значительно меньше расстояния между ними. Сила взаимодействия в воздухе почти не отличается от силы взаимодействия в вакууме (она слабее менее чем на одну тысячную).  Шарль Огюстен Кулон использовал для определения силы взаимодействия зарядов крутильные весы, которые состоят из палочки, подвешенной на проволочке. На одном конце палочки был закреплён бузиновый шарик, на другом - противовес; ещё один такой же бузиновый шарик был закреплён на крышке весов. Его достали, зарядили, привели в соприкосновение с первым шариком, в результате чего оба шарика приобрели заряд одного знака и стали отталкиваться, при этом проволока весов закрутилась на угол α1. После этого шарики сблизили до угла α2= α1/2, при этом верхний конец нити пришлось повернуть на 7/2α1, то есть общий угол закручивания нити составил 4α1. Так как сила, упругости при деформации кручения прямо пропорциональна углу закручивания, то она увеличилась в 4 раза, следовательно, увеличилась в 4 раза и сила отталкивания. Углы закручивания были малыми, поэтому расстояние между шариками уменьшилось во столько же раз, во сколько и угол, то есть в 2 раза. Отсюда следует, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. После этого одного из шариков касались таким же незаряженным, заряд уменьшался в 2 раза, во столько же раз уменьшалась и сила взаимодействия, следовательно, она прямо пропорциональна произведению зарядов. Обобщив эти выводы, в 1785 году Кулон установил  Закон:

 сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

|q1||q2|  
F=k ————— 
                r2

Эта сила называется кулоновской. Она направлена вдоль прямой, соединяющей тела, то есть является центральной. Кулоновская сила может быть как силой притяжения, так и силой отталкивания; положительной считают силу отталкивания. Поэтому закон Кулона можно записать в векторном виде:

®            q1q2         ®  
F12=k————— r12.  
                r123

Закон Кулона по форме похож на закон всемирного тяготения. Сила взаимодействия двух тел, обладающих массой, пропорциональна произведению их масс, а сила взаимодействия тел, обладающих зарядом пропорциональна произведению их зарядов. Сила обоих взаимодействий обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами. Но гравитационные силы - всегда силы притяжения, массы всегда положительны, а кулоновские силы могут быть и силами притяжения и силами отталкивания, так как существуют заряды двух видов: положительные и отрицательные - причём заряды одинакового знака отталкиваются. Вычисления при помощи закона Кулона требуют определения единицы заряда. Но создать эталон заряда невозможно, так как утечка заряда с тела неизбежна. Наиболее разумно было бы принять за единицу измерения заряд электрона, что и сделано в атомной физике, но во времена появления электростатики об элементарных частицах ещё не знали. Кулон скончался 23 августа 1806 году в Париже. Его имя внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом этаже Эйфелевой башни.

Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани  присутствием в замкнутой цепи  двух разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока – гальванический элемент (вольтов столб 1800), создающий непрерывный(постоянный) ток в течение длительного времени.  В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы – натрий и калий. Дж. П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э. Х. Ленца (закон Джоуля – Ленца).  Г.Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К. Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).

Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку – явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А. М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов (закон Ампера).  Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи (молекулярные токи). Таким  образом, согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учений об электричестве.

Со 2-й четверти 19 в. началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30 - 40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг. – электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применение электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное влияние на учение об электричестве.

В 30 – 40-х гг. 19 в. в развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.Фарадей- творец общего учения об электромагнитных явлениях,  в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависит от способа их получения («обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и др. виды электричества).  В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную – возбуждения электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др. Фарадей впервые ввёл представление об электрических и магнитных полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстояние действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействия между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические или магнитные поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрических и магнитных полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал, как механические образования в гипотетической среде – эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.

Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание, Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана Ф. Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимодукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон ( лорд Кельвин) развил (1853) теории электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность.

Законы, сформулированные Майклом Фарадеем в середине 19 в.: два закона ЭЛЕКТРОЛИЗА и три закона ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ, в современной интерпретации гласят так:

Законы электролиза:

 1. Количество продуктов химических реакций в процессе электролиза пропорционально силе заряда.

2. Количество продуктов химических реакций, которым подвергается вещество в результате воздействия некоторого количества электрического тока, пропорционально электрохимическому эквиваленту вещества.

Законы электромагнитной индукции:

1. Электромагнитная сила индуцируется в проводнике при изменении окружающего проводник магнитного поля.

2. Электромагнитная сила пропорциональна скорости изменения поля.

3. Направление индуцируемой электромагнитной силы противоположно направлению изменения внешнего поля.

       

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1.  Дубнищева Т.Я.  Концепции современного естествознания, М.: АСАДЕМА,

    2003.

 

2. Концепции современного  естествознания /Под ред. В.Н. Лавриенко, В.П.

    Ратникова. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2005.

 

3. Концепции современного  естествознания /Под ред. Самыгина С.И. Ростов-на-

    Дону, ФЕНИКС, 2003.

 

4. Агапова О.В., Агапов В.И. Лекции по концепциям современного естествознания.

   Вузовский курс. - Рязань, 2007.

 

5. Бочкарев А.И. Концепции современного естествознания. - Тольятти, 2007.

 

6. Григорьян А.Т., Фрадлин Б.Н., Сотников В.С. Аксиоматика классической механики //

   Исследования... М., 2007. С. 5-37.

 

7. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск, 2007.

 

8. Концепции современного  естествознания. Серия «Учебники  и учебные пособия». –

    Ростов- на-Дону, 2007.