Занятие по Естествознанию для 1/2 курса ММКШ по теме: "Импульс и энергия. Законы сохранения".
План:
1. Текст "О судьбе некоторых понятий механики" Филоновича С.Р.
2. Текст "Закон сохранения энергии" Городецкого Е.Е.
3. Часть "Импульс тела".
4. Часть "Энергия".
5. Часть "Законы сохранения".
О судьбе некоторых понятий механики
Еще в глубокой древности люди пытались найти количественные характеристики механического движения тел. Однако, прошло не одно столетие, пока сформировались «удобные» физические понятия.
Так, в XVII веке, когда фактически создавалась классическая механика, с особой остротой встал вопрос о том, какую величину целесообразно использовать как меру движения. Р. Декарт предложил в качестве такого понятия «количество движения», которое, говоря современным языком, означало произведение массы тела на модуль его скорости, и сформулировал «закон сохранения количества движения».
То, что Декарт не учитывал векторного характера скорости, привело к ряду ошибок. В частности, при рассмотрении важной для того времени практической задачи об упругом соударении тел. По Декарту, например, получалось, что если сталкиваются два тела, движущиеся навстречу друг другу с одинаковыми скоростями, и одно тело слегка массивнее другого, то после упругого удара оба тела будут двигаться в направлении первоначального движения более массивного тела. В действительности при упругом соударении шаров с близкими массами они разлетаются в разные стороны.
Ошибка Декарта впоследствии была исправлена X. Гюйгенсом и И. Ньютоном.
Г. Лейбниц, критикуя теорию Декарта, высказал мнение, что более удобной мерой движения является произведение массы на квадрат скорости тела. Эту величину он назвал «живой силой» и установил «закон сохранения живой силы». Спор о преимуществе того или иного понятия продолжался на протяжении более полувека, пока исследователи не пришли к выводу, что и «количество движения», и «живая сила» необходимы для полного описания явлений, происходящих при взаимодействии тел.
Следующим механическим понятием, вошедшим в науку, было понятие «работы силы», введенное Ж. Понселе в 1826 году. Его появление способствовало и рождению величины, которая теперь называется кинетической энергией, равной половине «живой силы» (Г. Кориолис, 1829 г.): работа силы, действующей на материальную точку, равна разности значений кинетической энергии в конечной и начальной точках пути.
Самый тернистый путь в науку был у понятия «потенциальная энергия». По существу, оно возникло вместе с законом сохранения энергии, сформулированным независимо в работах Дж. Джоуля, Р. Майера и Г. Гельмгольца. Интересно, что двое последних по образованию не были физиками — Майер занимался медициной, а Гельмгольц специализировался в области физиологии. Судьбы работ этих ученых тоже оказались сходными: и ту, и другую издатель ведущего немецкого физического журнала отказался публиковать, считая их слишком «теоретическими».
Потенциальная энергия впервые появилась в работе Гельмгольца под именем «силы напряжения». Однако автор не дал этому понятию наглядной физической интерпретации, и поэтому вокруг него разгорелись споры. Суть проблемы очень ясно сформулировал А. Пуанкаре: «...чтобы материализовать энергию, нужно ее локализовать; в отношении кинетической энергии — это просто (она приписывается движущемуся телу), но не так дело обстоит с энергией "потенциальной. Где локализовать потенциальную энергию, вызванную притяжением двух небесных тел? В одном из двух? В обоих? В промежуточном пространстве?».
Предлагались различные решения этой проблемы. Г. Герц, например, считал необходимым ... вообще отказаться от понятия «потенциальной энергии» и пытался свести этот вид энергии к кинетической энергии скрытых движений частиц тела. Однако эта попытка оказалась неудачной. Позднее было выяснено, что потенциальная энергия является мерой взаимодействия и что глубокая и полная интерпретация этого понятия невозможна без привлечения представления о поле. (Этот вопрос подробно обсуждается в следующей заметке на примере электростатического взаимодействия заряженных тел.— Примеч. ред.)
Так постепенное развитие понятий механики привело ученых к идеям, далеко выходящим за рамки этого раздела физики. Взаимное обогащение различных областей физической науки — характерная черта ее истории.