Тема урока: Исследования М.В. Ломоносовым физических явлений.

Цель урока: познакомиться с основными трудами М.В. Ломоносова. Оценить вклад М.В. Ломоносова в развитии физики и астрономии. Развить познавательные интересы учащихся через знакомство с основными трудами М.В.Ломоносова (молекулярно-кинетической теории тепла, атомно-молекулярной теории, открытием атмосферы на Венере и теорией атмосферного электричества) на основании ваших и моих изысканий.

Тип урока: урок-беседа.

Оборудования и средства: Проектор + экран, компьютер. Презентация.

Учитель:

...Повинуясь влечению ума к естественным наукам, я всегда был одержим желанием, вернее некоей страстью, обогащать их новыми приращениями'.
М. В. Ломоносов

300 лет назад Россия дала миру одного из величайших людей, входящих в первый ряд универсальных гениев человечества – Михаила Васильевича Ломоносова.

Открытия его опередили мировую науку на целые века и с течением времени значение их только возрастает. Нам, его наследникам, они представляются величайшими и глубочайшими прозрениями. Работы Ломоносова навсегда определили облик Российской науки, а открытия крупнейших отечественных ученых, воспринимаются нами как работы его непосредственных учеников и продолжателей. Михаил Васильевич Ломоносов сумел объять в своём творчестве все главные области знаний, фундаментальные, основополагающие их проблемы и   глубоко проникнуть в самую сущность непонятых в его время явлений.

Общепризнанным и наиболее значительным вкладом Ломоносова в естествознание справедливо считается молекулярно-кинетическая теория тепла, разработанная им во времена господства в мировой науке теория особой огненной материи – теплорода.

 Что это за теория?

Ученик:

Теплоро́д — по распространённым в XVIII — начале XIX века воззрениям, невесомая материя, присутствующая в каждом теле и являющаяся причиной тепловых явлений. Введён в 1783 году Лавуазье. Согласно теории теплорода масса тел увеличивается при нагревании вследствие того, что теплород проникает в поры тел и остается там. Приток теплорода в тело должен вызывать его нагрев, убыль - охлаждение. Количество теплорода во всех тепловых процессах должно оставаться неизменным. Теория теплорода объясняла на тот момент многие известные в то время тепловые явления. 

            Учитель:

М. В. Ломоносов обращает внимание научного сообщества на то, что ни расширение тел по мере нагревания, ни увеличение веса при обжиге, ни фокусировка солнечных лучей линзой, не могут быть качественно объяснены теорией теплорода.  Тогда Ломоносов ставит перед собой вопрос: Почему при охлаждении тела теплород остается, а сила тепла теряется? Таким образом, Ломоносов опровергает эту теорию и предлагает другую, где отсекает лишнее понятие теплорода.

В чем заключается теория выдвинутая Ломоносовым?

Ученик:

В окончательном виде теория теплоты была изложена Ломоносовым в его диссертации «Размышления о причине теплоты и холода». (1750). Выдержки из этой работы показывают, как ученый обосновывает свой взгляд на тепловые процессы:
«Очень хорошо известно, что теплота возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем; ...железо накаливается от проковывания частыми и сильными ударами... Из всего этого совершенно очевидно, что достаточное основание теплоты заключается в движении».

Невидимое для зрения, движение это заметно по действию. «Так, железо, нагретое почти до накаливания, кажется на глаз находящимся в покое; однако одни тела, придвинутые к нему, оно плавит, другие — превращает в пар; т. е., приводя частицы их в движение, оно тем самым показывает, что и в нем имеется движение какой-то материи. Ведь нельзя отрицать существование движения там, где его не видно: кто, в самом деле, будет отрицать, что, когда через лес проносится сильный ветер, то листья и сучки дерева колышатся, хотя при рассматривании издали и не видно движения...

Так как тела могут двигаться двояким движением — общим, при котором всё тело непрерывно меняет свое место..., и внутренним, которое есть перемена места нечувствительных частиц материи, и так как при самом быстром общем движении часто не наблюдается теплоты, а при отсутствии такового движения наблюдается большая теплота, то очевидно, что теплота состоит во внутреннем движении материи.

Рассмотрев различные возможные виды движения «нечувствительных» частиц, М. В. Ломоносов заключил, что «теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи», и вывел отсюда ряд следствий: «Частицы горячих тел вращаются быстрее, более холодных — медленнее. Горячие тела должны охлаждаться при соприкосновении с холодными, так как оно замедляет теплотворное движение частиц; наоборот, холодные тела должны нагреваться вследствие ускорения движения при соприкосновении».

Учитель:

Эти рассуждения имели огромный резонанс в европейской науке. Теория, как и полагается, более критиковалась, нежели принималась учеными. В основном критика была направлена на то, что частицы Ломоносова обязательно шарообразны, что не доказано; утверждение, что колебательное движение влечет распад тела и потому не может служить источником тепла и т.д.

Атомно-молекулярной теорией, или, как ее называли в то время, корпускулярной теорией, М. В. Ломоносов заинтересовался еще в студенческие годы, когда слушал лекции Вольфа и знакомился с трудами Декарта, Ньютона, Лейбница, Бойля. Уже в первых своих работах, написанных в Германии: «Работа по физике о превращении твердого тела в жидкость в зависимости от движения предсуществующей  жидкости» (1738) и «Физическая диссертация о различии смешанных тел, состоящем в сцеплении корпускул» (1739), он задался целью объяснить на основе корпускулярных представлений наблюдаемые физические и химические явления. Вернувшись в Россию, М. В. Ломоносов написал еще несколько работ, в которых четко, последовательно и логично изложил свои представления об атомах и молекулах и применил корпускулярную теорию для объяснения природы и многообразия веществ, свойств газов, жидкостей и твердых тел, а также тепловых явлений. Главные труды Ломоносова, в которых изложена его корпускулярная теория, это: «Элементы математической химии (1741), «276 заметок по физике и корпускулярной философии»  (1741 —1743),  «Опыт теории о нечувствительных частицах  тел и  вообще о причинах  частных  качеств» (1743 —1744), «Физические размышления о причинах теплоты и холода» (1744), «Опыт теории упругости воздуха» (1748). Теория Ломоносова значительно отличалась от концепций его предшественников, в которых тоже использовалось представление об атомах.

Какие теории были выдвинуты учеными до Ломоносова?

Ученик:

Атомистические представления Декарта были чисто умозрительными и носили противоречивый характер. Он, например, пишет в своей книге: «Прежде, всего, я предполагаю, что вода, земля и воздух и все такого рода тела, которые нас окружают, состоят из многочисленных мелких частиц различной формы и размеров,... Мелкие частицы, из которых состоит вода, длинны, гладки и скользки, наподобие маленьких угрей;... Знайте, что я не мыслю мелкие частицы земных тел в виде атомов, или неделимых частиц; напротив, сбитая их состоящими из одной и той же материи, я полагаю, что каждая из них может быть делима бесконечным множеством способов». После продолжительной полемики с П. Гассенди Р. Декарт начал склоняться к идее существования трех видов первичных частиц, отличающихся друг от друга размером. Он считал, что эти частицы входят в различных пропорциях в состав любого тела, способны менять форму под влиянием различных факторов и не имеют массы, но приобретают ее в результате движения. Острые частицы образуют соль, мягкие — серу, а тяжелые и круглые — ртуть.

П. Гассенди, как и Эпикур, считал атомы непроницаемыми и неделимыми, но различными по форме, размерам и массе. Атомы непрерывно движутся в пустоте и сталкиваются друг с другом. Все окружающие тела состоят не из атомов, а из их сочетаний — молекул.

   В целом близкие и понятные нам представления Гассенди тесно переплетались, однако, с телеологией. Считая материю пассивной, он вынужден был объяснять существование атомов и движения вмешательством бога и старался при этом «примирить свою католическую совесть со своим языческим знанием, Эпикура с церковью, что было, конечно, напрасным
трудом».

В начале XVIII в. Г. Лейбниц развил учение о монадах — «элементах вещей».Согласно его теории монады имеют божественное происхождение, наделены «духом» и способны к самодвижению. Материя же представляет собой форму существования монад и образуется лишь в результате их взаимодействия. Сама она без вмешательства монад не способна к самодвижению, но наделена силой и может оказывать действие и противодействие.

Из предшественников М. В. Ломоносова лишь Даниилу Бернулли удалось применить учение об атомах для объяснения некоторых свойств газов и жидкостей. В 1738 г. он разработал молекулярно-кинетическую теорию упругости и включил ее в виде отдельной главы в свою «Гидродинамику». Однако До 1748 г. М. В. Ломоносов не был знаком с этим трудом и строил свою корпускулярную теорию совершенно самостоятельно. Кинетическую теорию газов он разработал полнее, чем Д. Бернулли..

 Учитель:

Задача химиков-атомистов XVII в. заключалась главным образом в том, чтобы дать наглядное представление о химических явлениях с помощью образов, заимствованных из механики. Атомы наделялись поэтому шероховатой или гладкой поверхностью, крючками, иголками, колечками, клинышками и прочим фантастическим оснащением. Это обстоятельство не могло не  вызывать  насмешек со  стороны многих естествоиспытателей, которые стали называть атомистические представления «философией остриев и крючочков». М. В. Ломоносов одним из первых отказался от наивных представлений о замысловатой форме атомов. Наделив атомы массой, шарообразной формой, шероховатой поверхностью и способностью к движению, ученый объяснил процессы растворения, испарения, теплопередачи, а также высказал ряд важных положений, которые спустя 130 лет легли в основу кинетической теории газов.

Какие определения атомов и молекул дал в своих работах Ломоносов?

Ученик:

В своих работах М. В. Ломоносов дал логически безупречные и близкие к современным определения атомов и молекул: Элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо меньших и отличающихся от него тел. Корпускула есть собрание элементов, образующее одну малую массу... Корпускулы — сущности сложные, не доступные сами по себе наблюдению, т. е. настолько малые, что совершенно ускользают от взора..., поэтому свойства их и способ взаимного расположения должно исследовать при помощи рассуждения ...Корпускулы, состоящие непосредственно из элементов, называются первичными... Корпускулы, имеющие основание своего сложения в других, меньших, чем они, корпускулах, суть производные». М. В. Ломоносов различает однородные молекулы (корпускулы), состоящие из одинакового числа одних и тех же атомов (элементов), и разнородные, «когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе; от этого зависит бесконечное разнообразие тел». Широко известными стали слова М. В. Ломоносова: «Во тьме должны обращаться физики, а особливо химики, не зная внутреннего нечувствительных частиц строения». Ученый считал, что всякое изменение тел происходит посредством движения составляющих эти тела атомов и молекул, следовательно, тому, кто хочет глубже постигнуть химические истины, необходимо изучать механику и математику.

Учитель:

Своей корпускулярно-кинетической теорией тепла М. В. Ломоносов предвосхитил многие гипотезы и положения, сопутствовавшие дальнейшему развитию атомистики и теорий строения материи.

Труды и заслуги нашего великого соотечественника в различных областях знания чрезвычайно велики и многообразны. Так М.В. Ломоносов обогатил русскую астрономию открытиями величайшей ценности. Он проявил себя гениальным провидцем многих будущих астрономических открытий и был деятельным пропагандистом коперниканского мировоззрения. Будучи горячим сторонником учения о многочисленности обитаемых миров, Ломоносов писал:

 Уста премудрых нам гласят,

Там разных множество светов,

Несчетны солнца там горят,

Народы там и круг веков.

Как же начал Ломоносов заниматься астрономией?

Ученик:

В период пребывания в Марбурге у Христиана Вольфа Ломоносов познакомился с трудами Ньютона. В Марбурге он слушал лекции Вольфа по многим наукам, в том числе и по астрономии. После возвращения на родину Ломоносов при просмотре русских летописей обращал специальное внимание на все записи астрономических явлений. Сам он писал однажды, что серьезно занялся астрономией в 30-летнем возрасте, т. е. как раз с 1741 г.

Учитель:

К тому времени как Ломоносов начал проявлять серьезный интерес к астрономии, европейская наука уже располагала рядом выдающихся достижений, явившимся следствием торжества коперниковской гелиоцентрической системы мира. К началу XVIII в. значительного развития достигла техника астрономических наблюдений.

Какое асторономическое событие послужило начало исследования Ломоносовым Венеры?

Ученик:

Особый интерес русских и иностранных астрономов 26 мая 1761 г. был связан с прохождением Венеры по диску Солнца. В 1691 г. английским астрономом Эдмондом Галлеем был предложен новый метод определения солнечного параллакса (расстояния до Солнца). Для этого метода было необходимо в нескольких достаточно удаленных друг от друга местах Земли с максимальной точностью определить промежуток времени от момента вступления Венеры на диск Солнца до последнего касания. Во время этого прохождения Венеры по диску Солнца наблюдения проводили более 100 астрономов в 40 с лишним пунктах. Это было первое крупное международное астрономическое начинание.

6 июня 1761 года с 4 до 10 часов утра в своём доме в Петербурге Ломоносов наблюдал прохождение Венеры по диску Солнца. Использовалась зрительная труба из двух линз длиной 1.3м. Причем само явление интересовало его больше с точки зрения физики, а не астрономии. Может быть, именно это помогло ему сделать вывод, который не пришел в голову ни одному из многих западноевропейских астрономов, увидевших то же самое, что и он.

В чем же заключалось открытие сделанное Ломоносовым?

Ученик:

На следующий же день (27 мая) Ломоносов начал писать статью "Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санкт-петербургской императорской Академии наук майя 26 дня 1761 года". Именно в этой статье Ломоносов описывает атмосферу Венеры.

Ломоносов обратил внимание на то, что солнечный край как бы затуманился, когда Венера приблизилась к нему, и вторично несколько расплылся, когда, сойдя с диска, она удалялась от него.

"Ожидая вступления Венерина на солнце около сорока минут после предписанного в ефемеридах времени, увидел наконец, что солнечной край чаемого вступления стал неявственен и несколько будто стушован, а прежде был весьма чист и везде равен..." и дальше: "При выступлении Венеры из солнца, когда передней ее край стал приближаться к солнечному краю и был около десятой доли Венерина диаметра, тогда появился на краю солнца пупырь (см. рисунок ниже), который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила (см. fig. 3 и 4). LS значит край солнца; mm выпуклистое перед Венерою солнце. Вскоре оной пупырь потерялся, и Венера показалась вдруг без края (см. fig. 5); пп отрезок, хотя весьма малой, однако явственной. Полное выхождение, или последнее прикосновение Венеры заднего края к солнцу при самом выходе, было также с некоторым отрывом и с неясностью солнечного края".

Объяснить такую картину, по мысли Ломоносова, можно только тем, что «планета Венера окружена знатною атмосферою, таковою (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного», ибо, продолжал он, «сие не что иное показывает, как преломление лучей солнечных в Венериной атмосфере». Идея Ломоносова была настолько неожиданной, что европейские астрономы и физики оказались в состоянии воспринять ее лишь в 90-е годы XVIII века, спустя тридцать лет, да и то в изложении англичанина У. Гершеля.

Учитель:

Труд М. В. Ломоносова «Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санкт-петербургской Императорской Академии Наук Майя 26 дня 1761 года»  был напечатан на русском и немецком языках. Любопытно, что сам М. В. Ломоносов этому открытию не придавал большого значения, во всяком случае, оно даже не упомянуто в составленном им списке работ, которые он относил к наиболее важным в своём научном творчестве.

8 июня 2004 года произошло редкое событие - впервые за 122 года Венера "прошла по диску Солнца", наблюдалось так называемое покрытие Солнца Венерой. Оно длилось около 6 часов и наблюдалось почти по всей Европе, Африке и Азии.

Атмосферное электричество.

Широта научных интересов ученого, казалось бы, неизбежно должна приводить к поверхностному взгляду на вещи. Но с Ломоносовым этого не случилось. Необычная глубина и удивительная прозорливость Ломоносова проявляются, при внимательном рассмотрении, во всех областях науки и техники, которыми он занимался. В короткой заметке с достаточной полнотой можно только перечислить, да и то не все научные труды Ломоносова, но чтобы убедиться в их огромной научной ценности и глубине достаточно более подробно рассмотреть труды Ломоносова по атмосферному электричеству и полярным сияниям, не относящиеся к основной его официальной сфере деятельности (химии и связанным с нею практическим задачам).

Первый научный труд по электричеству и магнетизму: «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов» вышел в свет в 1600 г. Его автор — англичанин В. Гильберт впервые в истории провозгласил опыт критерием истины. Выдающийся исследователь сделал множество открытий, касающихся электризации, магнетизма и свойств намагниченных тел, но не смог дать разумного объяснения своим наблюдениям. В 1747 г. электрическими явлениями заинтересовался американский физик Б, Франклин. Вскоре он разработал статическую теорию электричества и с помощью различных опытов, в том числе с воздушным змеем, доказал, что искра, полученная в лейденской банке, и молния, с грохотом прорезающая небо, имеют одну природу.

В Петербургской академии наук в эти годы кабинетом физики заведовал профессор Георг Вильгельм Рихман, друг М. В. Ломоносова. В его распоряжении находилось несколько электростатических машин, причем некоторые из них были изготовлены самим Питером ван Мушенбреком — первооткрывателем «лейденской банки». Проводя опыты с электричеством, Г. Рихман сконструировал электроскоп и провел с использованием   этого   прибора   некоторые   количественные измерения. М. В. Ломоносов и Г. Рихман с энтузиазмом восприняли известие об опытах В. Франклина и безоговорочно поддержали его выводы, В июле 1752 г. Г. Рихман спешит повторить эти опыты и конструирует у себя дома специальную установку.

Что это была за установка?

Он взял толстый железный прут, продел его сквозь бутылку с пробитым в дне отверстием, заткнул горло бутылки коркой и выставил прут на 2—3 м над кровлей; бутылка стояла при этом на кирпичах под кровлей. К концу прута, который высовывался из дна бутылки, Рихман прикрепил железную проволоку и провел ее в комнату без соприкосновения с проводящими электричество предметами. К концу проволоки он прикрепил железную линейку так, чтобы она висела вертикально, и поместил ее нижний конец в стакан с опилками. К верхнему концу линейки ученый прикрепил шелковую нить. Затем, как было сообщено в «С.-Петербургских Ведомостях», Г. Рихман с первых дней июля 1752 г. начал «по вся дни следовать, отскочит ли нить от линейки, и произведет ли потому некую электрическую силу, токмо не приметил ни малейшей перемены в нити.,. Чего ради с превеликою нетерпеливостью ожидал грому, который 18 июля в полдень и случился. Гром, по-видимому, был не близко от строения, однако ж он после первого удара тотчас приметил, что шелковая нить от линейки отскочила».

 М- В. Ломоносов устроил у себя дома подобную установку и начал проводить на ней исследования. Ему удалось с помощью «электрического указателя» обнаружить наличие электрического поля в атмосфере при отсутствии молнии и грома.

На очередном торжественном собрании Петербургской Академии Наук академики Г. В. Рихман и М. В. Ломоносов должны были сделать доклад об электричестве. 26 июля 1753 года во время опытов в ходе наблюдения грозовых явлений Г. В. Рихман был убит ударом молнии. М. В. Ломоносов уцелел при своих наблюдениях лишь по счастливой случайности; расстояние между его домом и домом Рихмана составляло всего несколько сот метров.

После смерти Г. Рихмана М. В. Ломоносов один продолжал исследования электричества. Осенью 1753 г. была напечатана его речь: «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих». В ней ученый изложил свою теорию образования электричества в атмосфере.

В чем заключалась эта теория?

Особенного внимания заслуживают взгляды Ломоносова на природу статического электричества. Ломоносова не удовлетворяли многочисленные теории электричества, разработанные зарубежными исследователями, так как в большинстве из них, как он подчеркивал, «некоторые к составлению электрической теории самые нужнейшие вещи не довольно наблюдены были».

Свои воззрения на явления электричества Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся лишь в виде тезисов труде «Теория электричества, разработанная математическим путем». В отличие от большинства своих современников Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира. В его труде нет ни слова о различных субстанциях, с помощью которых многие ученые того времени пытались объяснить электрические явления. «Электрическая сила есть действие, вызванное легким трением... оно состоит в силах отталкивательных и притягательных, а также в произведении света и огня», пишет Ломоносов в своем труде.

«Эфирная» теория электричества, разработанная Ломоносовым, была передовой для своего времени. Она являлась новым шагом к материалистическому объяснению явлений природы. Эфирная теория получила дальнейшее развитие в трудах Эйлера,  позднее, в XIX в., ее придерживались Фарадей и другие крупнейшие ученые. Фарадей, например, считал электричество движением некоей, заполняющей все пространство, пронизывающей все тела упругой среды.

Эфир, в понимании М. В. Ломоносова, оказался очень близок понятию электромагнитного поля, введенному впоследствии М. Фарадеем. М. В. Ломоносов считал, что электричество и свет являются различными формами движения частиц эфира и потому связаны между собой. Свои гениальные мысли о единой природе электричества и света ученый высказал в одном из наиболее значительных трудов — «Слове о происхождении света 9, опубликованном в 1756 г. Б нем он подвел итог своим теоретическим и экспериментальным изысканиям, начатым еще в 1749 г. при получении окрашенных стекол и исследовании природы цвета.

Ломоносов не был ни атеистом, ни вульгарным материалистом, был очень далёк от упрощенного механицизма своей эпохи. Природа для него была едина, а многообразие природных явлений – проявлением общих фундаментальных законов: «натура в произвождении многообразных дел тщива и расточительна, а в причинах их скупа и бережлива»; отсюда – удивительное логическое единство его трудов в разных, казавшихся тогда несвязанными между собой областях науки. Поэтому даже его частные ошибки, исторически неизбежные во всяком глубоком научном прорыве, оказались чрезвычайно плодотворны.

В своих гениальных прозрениях Ломоносова настолько опережал научные представления своей эпохи, что из современников только великий Эйлер смог по достоинству оценить его научные труды, но и его смущали большая их оригинальность и смелость. Современники воспринимали его больше как великого поэта и изобретателя. Этому заблуждению способствовала и декларируемая им общественная позиция: Ломоносов не был замкнутым только на науку лабораторным ученым («заблуждаются физики, когда пренебрегают тем, что даёт повседневный опыт, и ставят изысканные и трудные опыты»). На природу он смотрел не только как ученый, но и глазами поэта и философа. Естественнонаучные идеи пронизывают и многие поэтические творения Ломоносова, такие как ода «Вечернее размышление о Божием величестве при случае великого северного сияния», а «Ода о пользе стекла» может служить эпиграфом ко всему современному материаловедению и нанотехнологиям. Такая цельность натуры, при всём её многообразии и глубине, и определяет уникальный, а если всмотреться и сравнить с другими великими людьми – единственный в мировой истории феномен Ломоносова.

Закрепление изученного материала: Тест.