Лекции по Введению в специальность

Оглавление

Вводный раздел 2

Исторические этапы развития физики и измерений 2

Астрономические измерения 3

Строение вещества 6

Измерения, связанные с механикой 7

Приборы для измерения длины [1] 8

Приборы для измерения массы и веса 8

Приборы для измерения времени 9

Солнечные часы. 9

Водяные часы. 11

Песочные и огневые часы 13

Механические часы 15

Измерения, связанные с электромагнетизмом 22

Принятие системы СИ 24

Измерения, связанные с термодинамикой 24

Прибор для измерения давления [1] 25

Приборы для измерения температуры 25

Основные законы термодинамики 26

Дополнительный материал 26

Методы и приборы физического обследования человека. 26

Литература 29

Темы докладов 29

1 занятие 29

2 занятие 30

3 занятие 30

4 занятие 31

5 занятие 31

Вводный раздел

В данном курсе лекций будет рассказано о истории и начальных сведениях измерительных приборов. Также будут затронуты основные сведения из физики, на основе которых работают измерительные приборы.

Исторические этапы развития физики и измерений

Физика как и вся наука прошла в своем развитии несколько этапов. Однако еще до зарождения наук люди уже накопили некоторые знания. Поэтому можно выделить нулевой донаучный период.

0. донаучный период

1. предфизика

2. классическая физика

3. современная физика

Потребность измерений появилась давно. Первобытные люди меряли время, чтобы вовремя охотиться, позже расстояния и площади, чтобы заниматься сельским хозяйством. В древнем Египте появились первые геометрические знания, но знания эти были полностью эмпирическими, полученными на основе опыта. Никаких аксиом и доказательств в то время еще не было, т.к. самом общественное устройство предполагало только строгое повиновение подданных фараону, а подчиненных учителю, и никому не могло прийти в голову, чтобы ученик попросил учителя доказать утверждение. Таким был донаучный период (до 6 в. до н.э.).

1й этап развития физики – предфизика (6 в. до н.э. – 16в. н.э.). В Древней Греции около 6-5 вв. до н.э. появились демократические предпосылки для зарождения многих наук и философии, рациональности и доказательства. Начиная с этого времени, сначала в Древней Греции, а потом и в Риме открытия в области физики и измерений потекли как из рога изобилия. Хотя философия и математика очень сильно развились, но физика в этот период оставалась преимущественно теоретической (если не считать открытий Архимеда), т.к. древние ученые считали эксперименты низким делом ремесленников и рабов и строили свои теории и гипотезы из простых наблюдений, размышлений и логических рассуждений. В средневековье ученые хотя и стали больше внимания уделять опытам, но не соединили их плодотворно с гипотезами и математическими расчетами.

Какие же ученые трудились на благо физики в то время? Пифагор в 6 в до н.э. высказал гипотезу о шарообразности земли. Сделал много открытий в геометрии ( Т. Пифагора), которые позже пригодились при различных измерениях длин площадей, углов. В области астрономии – Аристарх Самосский, Архимед, Аристотель, Гиппарх – прецессия земли, Птолемей, Фалес милетский – 1е наблюдения по акустике: связь частоты и длины струны, первые трубы, 1е сведения о электричестве и магнетизме. Левкипп, Демокрит о зернистости строения вещества. Римский ученый Герон – 1й прообраз двигателя

Далее в 6-14 вв в Европе наступают средние века и из-за набега варваров ученость с образованием значительно угасают и лишь в церквях и монастырях люди продолжают учиться грамоте и изучать науки. В это время знамя знания подхватывают арабские ученые. Арабы завоевали довольно обширные территории от Испании до севера Индии, и от покоренных народов переняли множество знаний, в бывших владения греков и римлян нашли множество трудов, которые были переведены на арабский язык, и лишь в таком виде до нас дошли некоторые знания древних ученых. После достижения огромного могущества и политической стабильности арабские правители стали развивать науки и искусства, поддерживать переводчиков, ученых и философские школы. Кроме того знания и измерения как и в древней истории нужны были для строительства величественных дворцов и храмов, торговли, и конечно оружия. Чаще всего именно потребность в новых видах оружия или копировании вражеских орудий двигала вперед науку, технику, в том числе приборы и измерения. Архимед применял механику для изготовления осадных орудий и машин; есть даже легенда, что он с помощью больших металлических зеркал сфокусированных в одну точку, сжег корабль! Далее изобретение пороха в Китае стимулировало развитие пушек и огнестрельного оружия, для которого в свою очередь нужно было применять точные измерительные приборы и сложные процессы обработки металла (фрезерный станок, сверлильный, точильный)

В это время работал ученый Альгазен (Ибн аль-Хайсам)– разработал теорию зрения и камера обскуру (прообраз фотоаппарата!), разложение вектора скорости и магнитная стрелка. 12 в. – Альгазини (Абдуррахман аль-Хазини): удельный вес, капиллярные явлен.

Тем не менее, отдельные монахи и епископы, которые не придерживаются консервативных взглядов, что науки и философия вредят изучению Библии, пытаются развивать логику, занимаются вычислениями праздников, реформируют календарь (Дионисий малый). Высший уровень образования с 12 в. постепенно переходит из церковных школ в первые университеты. Английский ученый Роджер Бэкон в 13 в. – разрабатывает зрительную трубу, изучает аберрацию линзы, в это же время отмечают появление очков. В 14в – появляется понятие ускорения.

Классическая физика (17 в. – 19 в.) начинается с Галилея и его научного метода, в котором органично сочетается первоначальное наблюдение за природой, высказывание гипотезы, построение с помощью математики предсказаний, проверка с помощью специальных опытов.

С появлением и развитием точных наук в Новое время, появляется все больше различных измерительных приборов в различных областях физики, химии, биологии и т.п.

Современная физика (20-21 вв.) появилась в начале 20 в. с рождением квантовой механики, специальной и общей теории относительности (СТО и ОТО) и многих других современных быстро развивающихся разделов физики. В свою очередь в философии науки современную физику можно условно разделить на неклассическую(первая половина 20 в) и постнеклассическую (после 1950 г). последняя характеризуется появлением неравновесной и нелинейной физики, междисциплинарных дисциплин

В наше время измерения нужны не только в производстве, экономике, быту, но также и самим ученым для проведения различных экспериментов и прикладных исследований.