РЕФЕРАТ
на тему
Ньютон и Торричелли
Подготовил ученик 8Т’класса.
Средней школа № 136.
Яршевич Алексей
18 декабря 2004 г.
ИСААК НЬЮТОН
НЬЮТОН (Newton) Исаак (1643-1727), английский математик,механик, астроном и физик, создатель классической механики, член (1672) ипрезидент (с 1703) Лондонского королевского общества. Фундаментальные труды«Математические начала натуральной философии» (1687) и «Оптика» (1704).Разработал (независимо от Г. Лейбница) дифференциальное и интегральное исчисления.Открыл дисперсию света, хроматическую аберрацию, исследовал интерференцию идифракцию, развивал корпускулярную теорию света, высказал гипотезу, сочетавшуюкорпускулярные и волновые представления. Построил зеркальный телескоп.Сформулировал основные законы классической механики. Открыл закон всемирноготяготения, дал теорию движения небесных тел, создав основы небесной механики.Пространство и время считал абсолютными. Работы Ньютона намного опередили общийнаучный уровень его времени, были малопонятны современникам. Был директоромМонетного двора, наладил монетное дело в Англии. Известный алхимик, Ньютонзанимался хронологией древних царств. Теологические труды посвятил толкованиюбиблейских пророчеств (большей частью не опубликованы).
* * *
НЬЮТОН (Newton) Исаак (4 января 1643, Вулсторп, близ Грантема,графство Линкольншир, Англия — 31 марта 1727, Лондон; похоронен вВестминстерском аббатстве), один из основоположников современной физики,сформулировал основные законы механики и был фактическим создателем единойфизической программы описания всех физических явлений на базе механики; открылзакон всемирного тяготения, объяснил движение планет вокруг Солнца и Лунывокруг Земли, а также приливы в океанах, заложил основы механики сплошных сред,акустики и физической оптики.
Детские годы
Исаак Ньютон появился на свет в небольшой деревушке в семьемелкого фермера, умершего за три месяца до рождения сына. Младенец былнедоношенным; бытует легенда, что он был так мал, что его поместили в овчиннуюрукавицу, лежавшую на лавке, из которой он однажды выпал и сильно ударилсяголовкой об пол.
Когда ребенку исполнилось три года, его мать вторично вышлазамуж и уехала, оставив его на попечении бабушки. Ньютон рос болезненным инеобщительным, склонным к мечтательности. Его привлекала поэзия и живопись, он,вдали от сверстников, мастерил бумажных змеев, изобретал ветряную мельницу,водяные часы, педальную повозку. Трудным было для Ньютона начало школьнойжизни. Учился он плохо, был слабым мальчиком, и однажды одноклассники избилиего до потери сознания. Переносить такое унизительное положение было длясамолюбивого Ньютона невыносимо, и оставалось одно: выделиться успехами вучебе. Упорной работой он добился того, что занял первое место в классе.
Интерес к технике заставил Ньютона задуматься над явлениямиприроды; он углубленно занимался и математикой. Об этом позже написал ЖанБатист Био: «Один из его дядей, найдя его однажды под изгородью с книгой вруках, погруженного в глубокое размышление, взял у него книгу и нашел, что онбыл занят решением математической задачи. Пораженный таким серьезным идеятельным направление столь молодого человека, он уговорил его мать непротивиться далее желанию сына и послать его для продолжения занятий». Послесерьезной подготовки Ньютон в 1660 поступил в Кембридж в качестве Subsizzfr’a(так назывались неимущие студенты, которые обязаны были прислуживать членамколледжа, что не могло не тяготить Ньютона).
Начало творчества. Оптика
За шесть лет Ньютоном были пройдены все степени колледжа и подготовленывсе его дальнейшие великие открытия. В 1665 г. Ньютон стал магистром искусств.
В этом же году, когда в Англии свирепствовала эпидемия чумы, онрешил временно поселиться в Вулсторпе. Именно там он начал активно заниматьсяоптикой; поиски способов устранения хроматической аберрации в линзовыхтелескопах привели Ньютона к исследованиям того, что теперь называетсядисперсией, т. е. зависимости показателя преломления от частоты. Многие изпроведенных им экспериментов (а их насчитывается более тысячи) сталиклассическими и повторяются и сегодня в школах и институтах.
Лейтмотивом всех исследований было стремление понять физическуюприроду света. Сначала Ньютон склонялся к мысли о том, что свет — это волны вовсепроникающем эфире, но позже он отказался от этой идеи, решив, чтосопротивление со стороны эфира должно было бы заметным образом тормозитьдвижение небесных тел. Эти доводы привели Ньютона к представлению, что свет —это поток особых частиц, корпускул, вылетающих из источника и движущихсяпрямолинейно, пока они не встретят препятствия. Корпускулярная модель объяснялане только прямолинейность распространения света, но и закон отражения (упругоеотражение), и — правда, не без дополнительного предположения — и законпреломления. Это предположение заключалось в том, что световые корпускулы,подлетая, к поверхности воды, например, должны притягиваться ею и потомуиспытывать ускорение. По этой теории скорость света в воде должна быть больше,чем в воздухе (что вступило в противоречие с более поздними экспериментальнымиданными).
Законы механики
На формирование корпускулярных представлений о свете явнымобразом повлияло, что в это время уже, в основном, завершилась работа, которойсуждено было стать основным великим итогом трудов Ньютона — создание единой, основаннойна сформулированных им законах механики физической картины Мира.
В основе этой картины лежало представление о материальных точках— физически бесконечно малых частицах материи и о законах, управляющих ихдвижением. Именно четкая формулировка этих законов и придала механике Ньютонаполноту и законченность. Первый из этих законов был, фактически, определениеминерциальных систем отсчета: именно в таких системах не испытывающие никакихвоздействий материальные точки движутся равномерно и прямолинейно. Второй законмеханики играет центральную роль. Он гласит, что изменение количества, движения(произведения массы на скорость) за единицу времени равно силе, действующей наматериальную точку. Масса каждой из этих точек является неизменной величиной; вообщевсе эти точки «не истираются», по выражению Ньютона, каждая из них вечна, т. е.не может ни возникать, ни уничтожаться. Материальные точки взаимодействуют, иколичественной мерой воздействия на каждую из них и является сила. Задачавыяснения того, каковы эти силы, является корневой проблемой механики.
Наконец, третий закон — закон «равенства действия ипротиводействия» объяснял, почему полный импульс любого тела, не испытывающеговнешних воздействий, остается неизменным, как бы ни взаимодействовали междусобой его составные части.
Определения Ньютона в «Началах»
Закон всемирного тяготения
Поставив проблему изучения различных сил, Ньютон сам же далпервый блистательный пример ее решения, сформулировав закон всемирноготяготения: сила гравитационного притяжения между телами, размеры которыхзначительно меньше расстояния между ними, прямо пропорциональна их массам,обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдольсоединяющей их прямой. Закон всемирного тяготения позволил Ньютону датьколичественное объяснение движению планет вокруг Солнца и Луны вокруг Земли,понять природу морских приливов. Это не могло не произвести огромноговпечатления на умы исследователей. Программа единого механического описаниявсех явлений природы — и «земных», и «небесных» на долгие годы утвердилась вфизике. Более того, многим физикам в течение двух столетий сам вопрос ограницах применимости законов Ньютона представлялся неоправданным.
Из 3 книги «Начал» И. Ньютона (О системе мира)
Лукасовская кафедра в Кембридже
В 1668 Ньютон вернулся в Кембридж и вскоре он получилЛукасовскую кафедру математики. Эту кафедру до него занимал его учитель И.Барроу, который уступил кафедру своему любимому ученику, чтобы материальнообеспечить его. К тому времени Ньютон уже был автором бинома и создателем(одновременно с Лейбницем, но независимо от него) метода флюксий — того, чтоныне называется дифференциальным и интегральным исчислением. Вообще, то былплодотворнейший период в творчестве Ньютона: за семь лет, с 1660 по 1667сформировались его основные идеи, включая идею закона всемирного тяготения. Неограничиваясь одними лишь теоретическими исследованиями, он в эти же годысконструировал, и начал создавать телескоп- рефлектор (отражательный). Этаработа привела к открытию того, что позже получило название интерференционных«линий равной толщины». (Ньютон, поняв, что здесь проявляется «гашение светасветом», не вписывавшееся в корпускулярную модель, пытался преодолетьвозникавшие здесь трудности, введя предположение, что корпускулы в светедвижутся волнами — «приливами»). Второй из изготовленных телескопов(улучшенный) послужил поводом для представления Ньютона в члены Лондонскогокоролевского общества. Когда Ньютон отказался от членства, сославшись наотсутствие средств на уплату членских взносов, было сочтено возможным, учитываяего научные заслуги, сделать для него исключение, освободив его от их уплаты.
Будучи по натуре весьма осторожным (чтобы не сказать робким)человеком, Ньютон, помимо его воли оказывался порой втянутым в мучительные длянего дискуссии и конфликты. Так, его теория света и цветов, изложенная в 1675,вызвала такие нападки, что Ньютон решил не публиковать ничего по оптике, покажив Гук, наиболее ожесточенный его оппонент. Пришлось Ньютону принять участие ив политических событиях. С 1688 до 1694 он был членом парламента. К томувремени, в 1687 г. вышел в свет его основной труд «Математические началанатуральной философии» — основа механики всех физических явлений, от движениянебесных тел до распространения звука. На несколько веков вперед эта программаопределила развитие физики, и ее значение не исчерпано и поныне.
Болезнь Ньютона
Постоянное огромное нервное и умственное напряжение привело ктому, что в 1692 Ньютон заболел умственным расстройством. Непосредственнымтолчком к этому явился пожар, в котором погибли все подготавливавшиеся имрукописи. Лишь к 1694 он, по свидетельству Гюйгенса, «… начинает уже пониматьсвою книгу «Начала»».
Постоянное гнетущее ощущение материальной необеспеченности было,несомненно, одной из причин болезни Ньютона. Поэтому для него имело важноезначение должность смотрителя Монетного двора с сохранением профессуры вКембридже. Ревностно приступив к работе и быстро добившись заметных успехов, онбыл в 1699 назначен директором. Совмещать это с преподаванием было невозможно,и Ньютон перебрался в Лондон. В конце 1703 г. его избрали президентомКоролевского общества. К тому времени Ньютон достиг вершины славы. В 1705 г.его возводят в рыцарское достоинство, но, располагая большой квартирой, имеяшесть слуг и богатый выезд, он остается по-прежнему одиноким. Пора активноготворчества позади, и Ньютон ограничивается подготовкой издания «Оптики»,переиздания «Начал» и толкованием Священного Писания (ему принадлежиттолкование Апокалипсиса, сочинение о пророке Данииле).
Ньютон был похоронен в Вестминстерском аббатстве. Надпись на егомогиле заканчивается словам: «Пусть смертные радуются, что в их среде жилотакое украшение человеческого рода».
/>
ЭВАНДЖЕЛИСТАТОРРИЧЕЛЛИ
ТОРРИЧЕЛЛИ (Torricelli) Эванджелиста (1608-47), итальянскийфизик и математик. Ученик Г. Галилея. Изобрел ртутный барометр, открылсуществование атмосферного давления и вакуума (торричеллиева пустота). Вывелформулу, которая была названа его именем.
* * *
ТОРРИЧ? ЕЛЛИ (Torricelli) Эванджелиста (15 октября 1608, Фаэнца —25 октября 1647, Флоренция), итальянский физик и математик, с 1643 придворныйматематик герцога Тосканского и профессор математики и физики Флорентийскогоуниверситетa.
Годы ученичества
Торричелли происходил из знатного рода и получил хорошееобразование. В двадцатилетнем возрасте переехал в Рим и стал ученикомматематика Бенедетто Кастелли (1577-1644), который прежде преподавал в Пизе,сделавшись там ревностным приверженцем, другом Галилео Галилея и активнымпропагандистом его идей. Когда при дворе герцога Тосканскогопрофессор-перипатетик Боскалья, при активной поддержке герцогини-матери, поднялвопрос о несовместимости открытий и утверждений Галилея с каноническимицерковными положениями, именно Кастелли имел мужество вступить в полемику.
Из всех учеников Кастелли больше всех увлекся трудами Галилеядвадцатилетний Торричелли. Он даже продолжил исследования Галилея, предложивновые обоснования некоторых положений из появившегося в 1638 капитального трудаучителя «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслейнауки, относящихся к механике и местному движению».
Незадолго до конца жизни Галилей (хотя он к тому времениполностью потерял зрение) познакомился с сочинением Торричелли и так высокооценил их, что по предложению Кастелли пригласил Торричелли к себе в Арчетри вкачестве помощника в исследованиях по механике (1641).
Работа Торричелли под непосредственным руководством великогоучителя длилась, увы, всего три месяца, до кончины Галилея. Но даже за этовремя было сделано немало: было написано продолжение «Бесед…» (оно былоиздано позже).
Великий герцог Тосканский после кончины Галилея назначилТорричелли на освободившуюся должность придворного математика, на которой оноставался до конца своей недолгой жизни. Одновременно он было профессоромФлорентийского университета.
Труды по механике
Продолжая исследования по механике, начатые Галилеем,Торричелли, в частности, занимался проблемой скольжения тяжелых тел понаклонной плоскости и (не зная, что это уже сделал ранее сам Галилей) доказал,что скорости этих тел определяются только высотой их начального расположения.Он также уделял большое внимание изучению движения тел, брошенных подразличными углами к горизонту. В труде Торричелли приводятся баллистическиетаблицы (для читателей, не владеющих латынью, Торричелли здесь даже переходитна итальянский язык).
Труды по движению жидкостей
Однако основные научные результаты Торричелли касаются движенияне твердых тел, чем занимались его предшественники, в том числе и его главныйучитель, Галилей, а жидкостей. Его нередко считают даже создателемгидродинамики.
Он много занимался вопросами, касающимися вытекания струйжидкости из отверстий в стенках сосудов. Так, он установил, что эти струи имеютпараболическую форму.
Не ограничиваясь качественным описанием, Торричелли стремилсяисследовать и количественную сторону явлений. В его труде, посвященном движениюжидкостей, можно прочитать следующие замечательные слова: «Вырывающаяся изсосуда вода имеет в точке истечения ту же скорость, которую имело быпроизвольное тяжелое тело, а значит, и отдельная капля той же воды, падая свободнос верхнего уровня этой воды до уровня отверстия».
Торричелли установил, что отношение скоростей, с которымижидкости вытекают из отверстий, расположенных на разных расстояниях отповерхности жидкости, равно отношению корней квадратных от этих расстояний. Изэтого следует, что количество жидкости, вытекающей за одинаковые времена изнаходящегося на горизонтальном дне сосуда отверстия, убывает в арифметическойпрогрессии, составленной из нечетных чисел (см. Торричелли формула).
Изготовив приспособление, позволявшее направлять вверх струюжидкости, вытекающей из сосуда, Торричелли убедился, что она поднимается нижеверхнего уровня жидкости в самом сосуде. Но он выдвинул и предположение, чтодело здесь в сопротивлении, которое испытывает струя. Легко усмотреть в этомодну из самых первых догадок, относящихся к закону сохранения энергии.
Доказательство существования атмосферы
Но главной заслугой Торричелли можно признать доказательствоналичия атмосферного давления. По-видимому, первым, кто выступил с утверждениемо существовании атмосферного давления, был «философствующий о природе исмеющийся над Аристотелем и всеми перипатетиками» Джованни Батиста Бальяни(1582-1666). В 1644 он писал: «Мы погружены на дно безбрежного моря воздушнойстихии, которая, как известно из неоспоримых опытов, имеет вес, причем оннаибольший вблизи поверхности Земли…».
Еще Галилею было известно, что воду из колодцев можно подниматьвсасывающим насосом лишь на ограниченную (около 10 м) высоту. Торричелли далэтому правильное объяснение, связав подъем воды в таком насосе с давлениематмосферного воздуха. Из этого объяснения вытекало, что, если на месте водыоказывается ртуть, удельный вес которой в 14 раз больше, чем у воды, тоуравновешиваемый давлением атмосферы столб ртути должен быть, соответственно, в14 раз меньшей высоты, чем водяной,
Прямая проверка опытом, проведенным по поручению Торричелли егоучеником Вивиани, подтвердила это. В 1643 они оба сделали следующий опыт: «Онивзяли трубку в два локтя длины, наполнили ее ртутью и опрокинули в сосуд сртутью, закрыв предварительно открытый конец ее. Когда этот конец был открыт,то ртуть в трубке опустилась до высоты 1,5 локтя, оставаясь потом на этомуровне». Фактически, это было изобретением ртутного барометра. Образовавшаясяпри этом над ртутью пустота была названа впоследствии «торричеллиевой».
Этим опытом, кроме всего прочего, было опровергнутоудерживавшееся />многие годыучение о том, что «природа боится пустоты».
Торричелли, поняв существование атмосферного давления и открывпри помощи изобретенного им прибора, что оно подвержено изменениям, пошел ещедальше, предсказав, что это давление должно изменяться и в зависимости отвысоты, что вскоре было подтверждено прямыми наблюдениями. Торричелли дажепонял, что ветер над Землей вызывается тем, что в разных местах атмосферноедавление может быть (хотя бы из-за разницы температур) различным.
Открытия Торричелли вызвали в ученом мире огромный интерес.Может быть, на этом фоне менее ярко выглядели другие его достижения. Но и о нихнельзя не упомянуть. Так, он был не только прославленным ученым, но и одним излучших мастеров по изготовлению линз для оптических инструментов.
У Торричелли было много учеников, он был широко известен нетолько в Италии, но и далеко за ее пределами.
Реферат подготовлен при помощи электронной энциклопедии Кириллаи Мефодия.