Астрономические открытия которые невозможно было бы сделать без развития волновой оптики реферат
Обновлено: 05.07.2024
Факты из истории оптики начала XIX столетия показывают, как трудно раскрыть закономерности развития науки, которое происходит не путем последовательной и плавной эволюции, а сплошь и рядом испытывает неожиданные скачки и повороты. Успехи ньютоновской механики XVIII в. оказали огромное влияние на все области физики, в том числе и на оптику. Несмотря на поддержку теории Гюйгенса Ломоносовым и защиту волновой теории света Эйлером, победа корпускулярной теории была бесспорной, а самый принцип Гюйгенса был забыт.
Что касается открытых еще в XVII в. явлений дифракции и интерференции, то ведущие ученые конца XVIII — начала XIX в. не сомневались в том, что они получат исчерпывающее объяснение в терминах корпускулярной теории. Не удивительно, что гениальные исследования Томаса Юнга по интерференции и дифракции света были встречены с недоверием и даже с насмешкой, поскольку в них эти явления объяснялись с точки зрения волновой теории. Вскоре эти исследования получили мощную поддержку в работах Френеля, и волновая теория, несмотря на оппозицию ведущих ученых и необычайные трудности, вызванные открытием поляризации, восторжествовала.
Юнг был великолепным знатоком музыки, играл почти на всех музыкальных инструментах, прекрасно знал животных, был цирковым артистом — наездником и канатоходцем. Умер Юнг 10 мая 1829г.
«I. Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет вселенную.
II. Волнообразные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, когда тело начинает светиться.
III. Ощущение различных цветов зависит от различной частоты колебаний, возбуждаемых светом на сетчатке.
Так в оптике появился принцип интерференции.
Этьенн-Луи Малюс (родился 23 июня 1775 г. 24 февраля 1812 г. он умер) .Он учился в Мезьерской инженерной школе, однако война помешала ему окончить школу; его мобилизовали в армию на фортификационные работы. Здесь его технические и организационные таланты были замечены, и он был направлен в только что организованную Политехническую школу, которую и окончил в 1796 г.
Вторым фундаментальным открытием Фраунгофера была дифракция в параллельных лучах и изобретенная им дифракционная решетка.
Успехи оптики первой половины XIX столетия не ограничились открытиями, описанными выше. Совершенствование экспериментальной техники позволило взяться за решение задачи, поставленной Галилеем: определить прямыми методами скорость света. Задача эта была решена в середине века почти одновременно двумя французскими физиками: Ипполитом Физо (1819-1896) и Леоном Фуко (1819-1868). Физо разработал технически идею Галилея. Прерывание светового потока, идущего от источника света, он осуществил автоматически — вращением зубчатого колеса.
Физо провел свой опыт в 1849 г., получив для скорости света значение 313000км/с.
Гальвани. Луиджи Гальвани родился в Болонье 9 сентября 1737 г. Он изучал сначала богословие, а затем медицину, физиологию и анатомию. В 1762 г. он был уже преподавателем медицины в Болонском университете.
В 1800 г. он построил первый генератор электрического тока — вольтов столб. Это изобретение доставило ему всемирную славу. Он был избран членом Парижской и других академий, Наполеон сделал его графом и сенатором Итальянского королевства. Но в науке Вольта после своего великого открытия уже не сделал ничего значительного. В 1819 г. он оставил профессуру и жил в своем родном городе Комо, где и умер 5 марта 1827 г. (в один день с Лапласом и в один год с Френелем).
Электромагнетизм
Ханс Кристиан Эрстед (родился 14 августа 1777 г. Умер 9 марта 1851 г.) в семье датского аптекаря. Учился Эрстед в Копенгагенском университете, где в 20 лет получил диплом фармацевта, а в 22 года степень доктора философии. В 1806 г. он становится профессором Копенгагенского университета.
Открытие Эрстеда вызвало широкий резонанс, Закон действия тока на магнитный полюс был установлен экспериментально Био и Саваром. Доклад об этом законе Био и Савар сделали 30 октября 1820 г. Лаплас облек закон Био— Савара в математическую форму элементарного взаимодействия между элементом тока и намагниченной точкой. В этой форме закон Био — Савара фигурирует в учебниках физики.
Андре Мари Ампер родился 22 января 1775 г. в семье лионского коммерсанта. Под руководством отца Ампер получил хорошее и разностороннее образование. Он изучал естественные науки, математику, греческий, латинский и итальянский языки. В 1804 г. он становится репетитором в Политехнической школе в Париже, а с 1808 г.— ее профессором. В 1814 г. его избирают членом Академии наук. Вершиной научного творчества Ампера является создание электродинамики.
Эрстед, а затем и Фарадей ясно увидели вихревой характер магнитного поля.
Фарадей. Михаил (английское произношение—Майкл) Фарадей (родился 22 сентября 1791 г. Умер он 25 августа 1867 г) в семье лондонского кузнеца. Недостаточность средств не позволила будущему великому ученому получить хорошее образование. В начальной школе он научился читать, писать, постиг начала арифметики, а затем поступил в учение к переплетчику. Здесь он восполнил недостатки образования чтением. Особенно его увлекло электричество и химия, и он сам начал проделывать опыты, описанные в книгах.
Фундаментальная идея о взаимосвязи, взаимопревращаемости различных сил природы дополнялась у Фарадея другой фундаментальной идеей об активной роли среды, в том числе и пустого пространства, в физических процессах
Фарадей вообще отказался от концепции действия на расстоянии и ввел в физику совершенно новый объект — физическое поле. Для Фарадея поле — это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом. С Фарадеем в физику наряду с частицами вещества вошла и новая форма материи — поле, излучаемое и поглощаемое частицами и распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Математически эта идея была разработана гениальным преемником фарадея Джемсом Клерком Максвеллом.
Моя работа посвящена одной из самых интересных и в то же время неисследованных областей знаний - астрономии, а именно периоду, в который произошли крупнейшие астрономические открытия, составившие основы данной науки.
XV – XVIIвека – время работы великих ученых Коперника, Галилея, Кеплера, Тихо Браге а также множества других менее известных ученых, чьи открытия позволили составить целостную картину мира и космоса.
С начала XVI века астрономия вступает на совершенно новый путь благодаря новым великим теориям, которые вскоре приводят, вместе с развитием других наук, к всеобъемлющим обобщениям и строгой гармонической науке.
Так как данная тема достаточно обширна, в рамках реферата я остановлюсь только на трех базовых открытиях в астрономии того времени – законах Кеплера, работах Галилея и законе тяготения Ньютона.
При написании работы я использовал материалы астрономической энциклопедии, а также монографии по истории астрономии.
1. Кеплер и его предшественники
Коперник (1473-1543) первый ясно формулирует гелиоцентрическую теорию строения солнечной системы, которая вскоре совершенно переворачивает астрономические взгляды и создает новую эпоху в науке. Конечно, гипотеза Коперника не была вполне новою и самостоятельною мыслью. Уже в III веке до Р.Х. Аристарх Самосский приписывал Земле вращение около оси и поступательное движение около Солнца. Астроном Селевк Вавилонский около столетия позже учил эту теорию как доказанный факт. Однако хотя отдельные умы и приходили к мысли о движении Земли, их мнения не получали всеобщего распространения и невозможно было представить доказательство такого движения, так как все небесные явления одинаково хорошо объяснялись и системою Птоломея.
Сам Коперник не мог, собственно говоря, представить никаких доказательств верности своих взглядов, кроме сравнительной простоты его теории. В знаменитой книге его "De revolutionibus orbium coelestium" все еще царствует система эпициклов, с тою только разницей, что вращения происходят не около Земли, а около Солнца. Такая теория, как та, которую предлагал Коперник, требовала для своего подтверждения каких-нибудь новых фактов. Если она просто объясняла видимые движения планет, то также просто можно было объяснить эти движения гипотезой, поддерживавшейся Тихо Браге, по которой все планеты вращались около Солнца, а Солнце около Земли.
Только впоследствии, когда было открыто изменение тяжести, происходящее от влияния центробежной силы вращения Земли, когда были открыты Ремером и Брадлеем явления аберрации света, можно было говорить о доказательствах вращения Земли около оси и обращения ее около Солнца, так как явления эти не могли быть объяснены в системе Птоломея и весьма просто объяснялись в системе Коперника.
Наука обязана весьма многим датскому астроному Тихо Браге. Неутомимый и искусный наблюдатель, он первый ввел в измерение угловых величин точные приемы, которые позволили ему превзойти в точности все, что было сделано до него в этом отношении. Он первый опубликовал таблицу рефракции, доходившую до высоты в 45°, выше которой рефракция была нечувствительна для его инструментов. Таблицы солнца Тихо Браге были настолько точны, что он утверждал, что никогда в них не оказывалось ошибки даже в четверть минуты. Он определил с большою тщательностью положение 777 звезд и оставил длинный ряд наблюдений над планетами, которые послужили Кеплеру для обоснования теории Коперника и нахождения знаменитых законов движения планет.
Несомненно, что законы Кеплера не могли быть открыты, если бы в руках Кеплера не находилась такая масса точных наблюдений над положением планет, какую доставили работы Тихо Браге. Настойчивость, энергия и терпение, с которыми Кеплер в течение 20 лет пробовал гипотезу за гипотезой для объяснения движения светил, громадная масса труда, потраченная на изучение этих движений, - поистине поразительны. Труд этот был наконец вознагражден открытием эмпирических законов Кеплера, которые в свою очередь дали возможность Ньютону обосновать свою теорию тяготения. Введенный сперва в заблуждение крепко державшимся убеждением, что планеты описывают в пространстве круги, убеждением, которое никем еще не оспаривалось, Кеплер потратил много излишнего труда на различные попытки изобразить движения планет комбинациею кругов. Удачная и смелая мысль попробовать вместо круга эллипс, удачный выбор планеты Марса для такой попытки привели наконец к открытию первого закона - эллиптического движения планет около Солнца, которое помещалось в одном из фокусов планетной орбиты.
Дойдя до этого результата, освободившись от векового заблуждения кругового движения, Кеплер вскоре должен был отбросить другое априорное предположение, царившее до тех пор в астрономии и не подвергавшееся сомнениям, - гипотезу равномерного движения в орбите. Исследуя движение Марса, он заметил, что планета эта движется около Солнца неравномерно, и, вероятно случайно, напал на мысль сравнить площади, описываемые планетами в афелии и перигелии их орбит. Когда оказалось, что площади эти равны и когда сравнение площадей, описанных Марсом в разных частях его орбиты, показало, что равенство площадей, описанных в разные промежутки времени, сохраняется во все время движения, Кеплер мог провозгласить второй закон движения планет около Солнца.
Несколько лет неустанного труда прошло, прежде чем Кеплер нашел третий закон, связывающий движения отдельных планет в одно стройное целое. Это открытие он считал наиболее важным из своих трудов, завершающим гармонию небесных движений. И это открытие было сделано им не на основании каких-нибудь теоретических соображений, а после множества попыток подчинить замеченные периоды обращения и расстояния планет около Солнца какому-нибудь закону. Одна из испробованных им гипотез состояла в том, что сравнивались некоторые степени времени обращения с некоторыми степенями расстояний. Оказалось, что квадраты времен обращений весьма точно пропорциональны кубам средних расстояний и что этот закон применим ко всем планетам, тогда известным, так что Кеплер мог выставить его как научный факт.
Позднейшие наблюдения подтвердили все законы Кеплера, хотя оказалось, что во все эти законы должны быть внесены некоторые поправки, которые были уже открыты не эмпирическим путем, а путем математического анализа гением Ньютона. Во всяком случае, уже законы Кеплера придали солнечной системе ту стройность, которая отсутствовала в системах других астрономов. Ни Птоломей, ни Коперник, ни Тихо Браге не были в состоянии связать все движения планет в одно целое, управляющееся столь простыми законами, которые открыл Кеплер. Теории Кеплера послужили ему для составления таблиц эллиптического движения планет, совершенно сходных с ныне употребляемыми таблицами.
Наконец, нельзя не упомянуть вычисленной Кеплером таблицы логарифмов чисел и тригонометрических величин, служившей для позднейших вычислений. Его теоретические взгляды на причины небесных движений во многих случаях чрезвычайно проницательны. Тяготение уже до некоторой степени известно ему, хотя он считает его убывающим пропорционально расстоянию, вместо того чтобы взять квадраты расстояний. С замечательной ясностью он излагает в своем знаменитом сочинении "De Stella Mart i s", в котором даны законы планетных движений, известные под его именем, что тела имеют стремление одно к другому, подобно железу и магниту, и что как Земля притягивает камень, так и камень притягивает Землю.
2. Открытия Галилея
Одновременно с Кеплером в Италии жил Галилей, открытия которого касались более общеизвестных вопросов, были более поразительны и общепонятны для большинства людей и потому имели гораздо большее непосредственное влияние на умы и в значительной степени способствовали быстрому перерождению наук, которое уже началось со времени Возрождения.
В Голландии почти одновременно несколько лиц открыли, что известною комбинациею стекол можно составить инструмент, который показывает предметы в увеличенном виде и как бы приближает отдаленные объекты. Галилей слышал об этом изобретении и сам попробовал восстановить его по тем туманным сведениям, которые до него дошли. Попытка его сразу увенчалась успехом. Ему в тот же день удалось изготовить телескоп, увеличивающий в три раза. Этот первый телескоп состоял из кожаной трубы, в которую были вставлены плосковыпуклое и плосковогнутое стекло. Впоследствии ему удалось последовательно увеличить силу своих оптических комбинаций и достигнуть до увеличения в 32 раза.
Хотя Галилей и не может считаться изобретателем зрительной трубы, но, во всяком случае, он первый направил ее на небо и вскоре мог оповестить миру о необычайных открытиях, сделанных им в солнечной системе. На Луне он сразу узнал ее горы и мог с уверенностью подтвердить, что Луна есть твердое непрозрачное тело, отражающее лучи солнца, причем пятна Луны зависят от неровности ее поверхности. Фазы Венеры, открытые Галилеем при помощи зрительной трубы, служили первым несомненным доказательством того, что планета эта обращается около Солнца, а не около Земли. Существование этих фаз было предсказано Коперником и подкрепляло его гипотезу. Спутники Юпитера, названные сперва Галилеем в честь Медичисов - "Медицейскими звездами", составляют одно из важнейших открытий, сделанных тогда же Галилеем.
Аналогия мира Юпитера с солнечной системой, как ее понимал Коперник, также служила новым доводом в пользу его предположений. У Сатурна Галилей открыл особый придаток, который он не мог разложить посредством своих оптических инструментов, так что ему казалось, что Сатурн есть тройная звезда (tergenum observatio). На Солнце зрительная труба указала существование пятен, и из наблюдений над перемещением этих пятен оказалось, что Солнце вращается около оси в течение 27 дней. Помимо обогащения фактического материала открытия эти имели громадное философское значение не только как аргументы в пользу теории Коперника, но и сами по себе, как доказательства того, что как Солнце, так и остальные небесные тела суть вещественные предметы, сходные с Землей, не божественного нетленного характера, как думали некоторые.
Не меньшее значение для науки имели теоретические изыскания Галилея относительно законов падения тел, а также найденная им изохроничность колебания маятника.
3. Закон тяготения Ньютона
Мы уже перечислили несколько капитальных открытий и изобретений, сделанных в XVII-ом веке в астрономии. Этому же веку суждено было положить прочное основание полной теории движения небесных светил - теории тяготения Ньютона. Наряду с практическими приспособлениями, усовершенствовавшими наблюдения и открывшими целый новый мир небесных объектов, явилась теория, которая связывала все небесные движения одним законом, простота и почти очевидность которого были поразительны. Маятник, телескоп и логарифмы дали возможность измерять с точностью промежутки времени, определять с точностью относительное положение небесных тел, прежде известных и новооткрытых, и, наконец, вычислять с сравнительно поразительною легкостью все астрономические феномены. В то же время математика и теоретическая механика шли быстрыми шагами вперед. Приложение алгебры к геометрии, сделанное Декартом, законы падения тел, найденные Галилеем, законы планетных движений Кеплера, теория бесконечно малых были необходимыми предшественниками бессмертного открытия Ньютона, которое составило новую эру в науке. Тяготение не только объясняло все неравенства движений планет и их спутников, открытые вековыми наблюдениями, но и предсказывало существование новых явлений, которые постоянно подтверждались по мере возрастания точности методов наблюдений. Тяготение объясняло не только планетные движения, которые все же и раньше, хоть только эмпирически, укладывались в сравнительно краткие формулы, но и давало объяснение движению комет, которым еще так недавно приписывали существование свободной воли, а впоследствии оказалось, что оно объясняет и относительное движение составляющих двойных звезд, и привело к открытию новых тел в солнечной системе и в звездном мире. Но, помимо этих сравнительно практических результатов теории тяготения, главная заслуга его состоит несомненно в том философском взгляде на явления природы, который вытекал из понимания общности законов движения в мировом пространстве, единства мироздания и строгой причинности всех наиболее запутанных явлений Вселенной. До сих пор закон тяготения постоянно служит лучшим примером философского обобщения, охватывающего сразу бесконечную область фактов в одной простой, строгой, математической формуле.
Теория тяготения положила основание физической астрономии в отличие от чисто геометрической науки, какою астрономия была до тех пор. Он показал, что все движения планет управляются одним этим законом. Из того же закона он вывел и форму небесных тел, показав, что сжатие Земли может быть выведено дедуктивным путем из теории тяготения. Он объяснил строго научно приливы и отливы, открыл физическую причину предварения равноденствий, многих неравенств движения Луны и возмущений в движениях планет. Многие частные приложения теории тяготения по необходимости должны были остаться в весьма несовершенном виде, так как требовалось развитие многих других отраслей знания для полного их приложения. Но позднейшие открытия только подтверждали теорию Ньютона и расширяли круг ее приложений.
XV- XVIIвека были значимым периодом в развитии астрономии.
В это время была обоснована гелиоцентрическая теория (Н. Коперник), итальянский учены Галилей произвел первые телескопические наблюдения небесных светил и открыл фазы Венеры, 4 спутника Юпитера и много слабых звезд, невидимых невооруженным глазом. Немецкий астроном И. Кеплер в то же время нашел три закона движения планет вокруг Солнца, а английский ученый И. Ньютон доказал, что эти законы являются следствие открытого им закона всемирного тяготения.
1. Веселовский И.Н. Кеплер и Галилей. - ИАИ, 1972, вып. XI, с.19-64.
2. Идельсон Н.И. Этюды по истории небесной механики. - М.: Наука, 1975. - 496с.
3. Кузнецов Б.Г. Галилео Галилей. Очерк жизни и научного творчества. - В книге: Галилео Галилей. Избр. тр.: В 2-х т. М.: Наука, 1964, т.2, с. 481-501.
4. Цейтлин З.А. Галилей и его современники. - М.: Изд-во АН СССР, 1985, -304с.
В ночь на 7 января 1610 г. в истории наблюдательной астрономии произошел подлинный переворот: впервые зрительная труба была направлена на небо. В течение нескольких ночей великий Галилей (1564 - 1642) открыл недоступные невооруженному глазу цирки, горные вершины и цепи на Луне, спутники Юпитера, мириады звезд, составляющих Млечный Путь. Несколько позже Галилей наблюдал фазы Венеры и странные образования у Сатурна (что это были знаменитые кольца, стало известно значительно позже, в 1658 г., в результате наблюдений Гюйгенса).
С завидной оперативностью Галилей публикует результаты своих наблюдений в "Звездном вестнике". Книга почти в 10 печатных листов была набрана и отпечатана всего за несколько дней - явление, почти невозможное в наше время. Она вышла уже в марте того же 1610 г.
Галилей не считается изобретателем примененной им зрительной трубы, хотя и изготовил ее лично. Ранее до него дошли слухи, что оптические инструменты, в которых объективом служит плосковыпуклая линза, а окуляром - плосковогнутая, появились в Голландии. Приоритет изобретения оспаривали несколько голландских оптиков, в том числе Захарий Янсен, Якоб Меций и Генрих Липперсгей (последний, по-видимому, имел для этого больше оснований). Однако Галилей сумел самостоятельно разгадать устройство такого прибора и воплотить свое представление об этих трубах "в металл", построив за несколько дней три трубы. Качество каждой последующей было значительно выше предыдущей. Но главное, именно Галилей первым направил свою трубу на небо!
Появилась "голландская" труба не на пустом месте. Еще в 1604 г. вышла книга И. Кеплера "Дополнения к Вителлию, в которых излагается оптическая часть астрономии". Написанное в форме дополнения к трактату авторитетного польского ученого XII в. Вителлия (Вителло) это сочинение стало явлением в исследовании законов геометрической оптики. Действительно, на с. 102 Кеплер, рассматривая ход лучей в оптической системе, состоящей из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, дает теоретическое обоснование устройству будущей "голландской" (или "галилеевой") оптической трубы.
Это тем более удивительно, что сам Кеплер из-за врожденного дефекта зрения не мог быть хорошим наблюдателем. Он страдал монокулярной полиопией (множественным зрением), при которой одиночный объект кажется множественным. Этот дефект усугублялся еще и сильной близорукостью. Но справедливы слова Гёте: "Когда историю жизни Кеплера сопоставляешь с тем, кем он стал и что он сделал, радостно изумляешься и при этом убеждаешься, что истинный гений преодолевает любые препятствия".
Узнав об открытиях Галилея и получив от него экземпляр "Звездного вестника", Кеплер уже 19 апреля 1610 г. направляет Галилею восторженный отзыв, одновременно публикуя его ("Разговор со звездным вестником"), и. возвращается к рассмотрению оптических вопросов. А через несколько дней после завершения "Разговора" Кеплер разрабатывает проект устройства зрительной трубы нового типа - телескопа-рефрактора, описание которого помещает в своем сочинении "Диоптрике". Книга была написана в августе - сентябре того же 1610 г., а вышла из печати в 1611 г.
В этой работе Кеплер среди других рассмотрел в качестве основы астрономической трубы нового типа комбинацию двух двояковыпуклых линз. Задача, поставленная им, формулировалась так: "С помощью двух двояковыпуклых стекол получить отчетливые, большие, но обратные изображения. Пусть линза, служащая объективом, находится на таком расстоянии от предмета, что его обратное изображение получается неотчетливым. Если теперь между глазом и этим неотчетливым изображением, недалеко от последнего, поставить второе собирательное стекло (окуляр), то оно сделает исходящие от предмета лучи сходящимися и даст благодаря этому отчетливое изображение".
Кеплер показал, что возможно получение и прямого изображения. Для этого в данную систему необходимо ввести третью линзу.
Преимущество системы, предложенной Кеплером, заключалось прежде всего в большем поле зрения. Известно, что лучи света от звезды, находящейся далеко от оптической оси, не попадают в центр окуляра. И если в вогнутом окуляре "голландско-галилеевой" трубы они еще дальше отклоняются от центра (т. е. не видны), то в выпуклом окуляре Кеплера они соберутся к центру и попадут в зрачок глаза. Благодаря этому значительно увеличивается поле зрения, в котором все наблюдаемые объекты видны ясно и четко. К тому же в плоскости изображения в трубе Кеплера между объективом и окуляром можно поместить прозрачную пластинку с отградуированной на ней сеткой или шкалой. Это позволит производить не только наблюдения, но и необходимые измерения. Ясно, что "кеплерова" труба вскоре вытеснила "голландскую", которая в настоящее время применяется только в театральных биноклях.
У Кеплера не было необходимых средств и специалистов для изготовления телескопа своей конструкции. Но немецкий математик, физик и астроном К. Шейнер (1575-1650) по описанию, данному в "Диоптрике", в 1613 г. построил первый телескоп-рефрактор кеплеровского типа и применил его для наблюдения солнечных пятен и изучения вращения Солнца вокруг оси. Он же позже изготовил и трубу из трех линз, дающую прямое изображение.
Разработка эффективной конструкции телескопа была не единственным вкладом Кеплера в астрономическую и общую оптику. Среди его результатов отметим: доказательство основного фотометрического закона (интенсивность света обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника), разработку математической теории рефракции и теории механизма зрения. Кеплер ввел термины "сходимость" и "расходимость" и показал, что очковые линзы исправляют дефекты зрения, изменяя сходимость лучей, прежде чем те попадут в глаз. Термины "оптическая ось" и "мениск" также введены в научное обращение Кеплером.
И в "Дополнениях", и в "Диоптрике" Кеплер изложил настолько революционный материал, что он вначале не был понят и не скоро одержал победу.
Не так давно итальянский ученый-оптик В. Ронки писал: "Гениальный комплекс работ Кеплера содержит все основные понятия современной геометрической оптики: ничто не утратило здесь значения за минувшие три с половиной столетия. Если какое-либо из положений Кеплера забыто, то об этом можно только пожалеть. Нынешнюю оптику можно с полным правом назвать кеплеровской". И далее: "Оптика Кеплера, великолепная по своему значению и влиянию на последующие поколения, плодотворности в научной и практической области, жизненности, устойчивости против нападок критики, выдержала испытания временем вплоть до нынешних дней". Но, "бесспорно, что в наши дни имя Кеплера в оптике почти забыто. Его имя сейчас упоминается лишь иногда в названии зрительной трубы с окуляром, сводящим лучи (многие называют ее просто астрономической). Рядовой человек может подумать, что Кеплер никогда не занимался углубленно оптикой, а был астрономом, которому однажды пришла счастливая мысль использовать положительный окуляр".
После Кеплера важные шаги в развитии теории и ее практических приложений в оптике были сделаны Р. Декартом (1596-1650) и X. Гюйгенсом (1629-1695). Еще Кеплер пытался сформулировать закон преломления, однако точного выражения для коэффициента преломления ему найти не удалось, хотя в ходе экспериментов им открыто явление полного внутреннего отражения. Точная формулировка закона преломления была дана Декартом в разделе "Диоптрика" знаменитого сочинения "Рассуждение о методе" (1637). Для устранения сферических аберраций Декарт комбинирует сферические поверхности линз с гиперболическими и эллиптическими.
Гюйгенс работал с перерывами над своим сочинением "Диоптрика" 40 лет. При этом вывел основную формулу линзы, связав положение предмета на оптической оси с положением его изображения. Для уменьшения сферических аберраций телескопа он предложил конструкцию "воздушного телескопа", в котором объектив, имевший большое фокусное расстояние, располагался на высоком столбе, а окуляр - на штативе, установленном на земле. Длина такого "воздушного телескопа" достигала 64 м. С его помощью Гюйгенс обнаружил, в частности, кольца Сатурна и спутник Титан. В 1662 г. Гюйгенс предложил новую оптическую систему окуляра, впоследствии получившую его имя. Окуляр состоял из двух двояковыпуклых линз, разделенных значительным воздушным промежутком. Конструкция позволяла устранить хроматическую аберрацию и астигматизм. Известно также, что Гюйгенсу принадлежит и разработка волновой теории света.
Но для дальнейшего решения теоретических и практических проблем оптики был необходим гений И. Ньютона. Следует отметить, Ньютон (1643-1727) стал первым, кто уяснил, что размытость изображений в телескопе-рефракторе, какие бы усилия не предпринимались для устранения сферической аберрации, связана с разложением белого света на цвета радуги в линзах и призмах оптических систем (хроматическая аберрация). Ньютон выводит формулу хроматической аберрации.
После многочисленных попыток создать конструкцию ахроматической системы, Ньютон остановился на идее зеркального телескопа (рефлектора), объектив которого представлял собою вогнутое сферическое зеркало, не обладающее хроматической аберрацией. Овладев искусством получения сплавов и шлифовки металлических зеркал, ученый приступил к изготовлению телескопов нового типа. Первый рефлектор, построенный им в 1668 г. имел весьма скромные размеры: длина-15 см, диаметр зеркала - 2,5 см. Второй, созданный в 1671 г., был значительно больше. Он сейчас находится в музее Лондонского королевского общества.
Ньютон изучил также явление интерференции света, измерил длину световой волны, сделал ряд других замечательных открытий в оптике. Он считал свет потоком мельчайших частиц (корпускул), хотя и не отрицал его волновой природы. Только в XX в. удалось "примирить" волновую теорию света Гюйгенса с корпускулярной Ньютона-в физике утвердились представления о корпускулярно-волновом дуализме света.
Историки науки утверждают, что в XVII в. произошла естественно-научная революция. Кеплер был у ее истоков, открыв законы обращения планет вокруг Солнца. Ньютон на завершающем этапе стал основоположником современной механики, создателем математики непрерывных процессов. Эти ученые навечно вписали свои имена и в становлении астрономической опт
Раздел: Математика
Количество знаков с пробелами: 10199
Количество таблиц: 2
Количество изображений: 2
№ слайда 1
№ слайда 3
Объект исследования: Свет Предмет исследования: Волновые свойства света
№ слайда 4
№ слайда 5
Гипотеза: СВЕТ Волна Поток частиц
№ слайда 6
Линзы Собирающие линзы (а,б) Рассеивающие линзы (в,г)
№ слайда 7
Геометрическая оптика Раздел оптики, в котором изучаются законы распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче.
№ слайда 8
Ремер Оле (1644-1710), датский астроном. По наблюдениям спутников Юпитера впервые определил скорость света (1675). Изобрел несколько инструментов, в т. ч. меридианный круг и пассажный инструмент.
№ слайда 9
Астрономический метод измерения скорости света
№ слайда 10
ФИЗО Арман Ипполит Луи (1819-1896), французский физик. Первым измерил (1849) скорость света земного источника. Определил (1851) скорость света в движущейся жидкости и показал, что свет частично увлекается движущейся средой.
№ слайда 11
Лабораторный метод измерения скорости света
№ слайда 12
№ слайда 13
Принцип Гюйгенса. Каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн.
№ слайда 14
№ слайда 15
Работа по оптике. Еще в 60-е гг. XVII в. Ньютон заинтересовался оптикой и сделал открытие, которое, как казалось сначала, говорило в пользу корпускулярной теории света. Этим открытием было явление дисперсии света и простых цветов. В экране, на котором наблюдался спектр, делалось также малое отверстие. Через отверстие пропускали уже не белый свет, а свет, имеющий определенную окраску, говоря современным языком, монохроматический пучок света. На пути этого пучка Ньютон ставил новую призму, а за ней новый экран. Что будет наблюдаться на этом экране? Разложит он одноцветный пучок света в новый спектр или нет? Опыт показан, что этот пучок света отклоняется призмой как одно целое, под определенным углом. При этом свет не изменяет своей окраски. Поворачивал первую призму, Ньютон пропускал через отверстие экрана цветные лучи различных участков спектра. Во всех случаях они не разлагались второй призмой, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета. В экране, на котором наблюдался спектр, делалось также малое отверстие. Через отверстие пропускали уже не белый свет, а свет, имеющий определенную окраску, говоря современным языком, монохроматический пучок света. На пути этого пучка Ньютон ставил новую призму, а за ней новый экран. Что будет наблюдаться на этом экране? Разложит он одноцветный пучок света в новый спектр или нет? Опыт показан, что зтот пучок света отклоняется призмой как одно целое, под определенным углом. При этом свет не изменяет своей окраски. Поворачивал первую призму, Ньютон пропускал через отверстие экрана цветные лучи различных участков спектра. Во всех случаях они не разлагались второй призмой, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета. После этого Ньютон пришел к заключению, что белый свет разлагается на цветные лучи, которые являются простыми и призмой не разлагаются. Для каждого цвета показатель преломления имеет свое, определенное значение. Цветность этих лучей и их преломляемость не может измениться “ни преломлением, ни отражением от естественных тел, или какой-либо иной причиной”,– писал Ньютон.
№ слайда 16
Гравитационная астрономия молода: со дня, когда LIGO зарегистрировала первую гравиволну, не прошло и двух лет. Но за это время учёные, работающие на LIGO и Virgo несколько впечатляющих открытий. На этой неделе физики из множества стран рассказали о последнем прорыве гравитационной астрономии — наблюдении волн, рождённых слиянием нейтронных звезд. 17 августа земные гравитационно-волновые обсерватории зарегистрировали уже пятую с начала наблюдений гравитационную волну, а наблюдения с помощью обычных телескопов показали, что источник гравиволны был также источником электромагнитного излучения. Его наблюдали сотни телескопов, наземных и орбитальных, во всех диапазонах.Рассказываем о том, что следует из результатов этих и предыдущих гравитационно-волновых измерений.
Мир то растягивается, то сжимается — и так всё время
В 1916 году Альберт Эйнштейн предсказал, что столкновение очень массивных объектов — чёрных дыр или нейтронных звёзд — может порождать колебания пространства-времени, которые распространяются по всей Вселенной. В 2015 году мы в этом убедились: действительно, весь космос, а вместе с ним и наша планета, и мы сами постоянно испытывают воздействие гравитационных волн. Когда такая волна проходит через нас, мы немного растягиваемся и сжимаемся. И так случается довольно часто. Поскольку источники гравитационных дыр находятся за тысячи световых лет от нас, это воздействие совершенно нечувствительно, но будь они ближе, мы бы. возможно, заметили, как колеблется пространство-время, в котором мы живём.
Черные дыры действительно существуют
Казалось бы, что тут доказывать, мы знаем о чёрных дырах уже несколько десятилетий. Но напомним: до LIGO их никто не видел. Вся наша астрономия строилась на наблюдениях электромагнитных волн, видимых глазу и невидимых, от гамма- до радио. Но черные дыры не излучают в электромагнитном спектре; чтобы подтвердить их существование, нужно зарегистрировать гравитационную волну. что и сделала обсерватория LIGO. Судя по всему, одна такая есть и в центре нашей галактики — и многих других — но наверняка сказать нельзя. LIGO впервые позволил экспериментально доказать, что черные дыры существуют и могут сталкиваться, сливаясь в одну дыру большей массы.
Происхождение тяжелых химических элементов
Водород и гелий образовались в результате Большого взрыва. Все остальные элементы тяжелее гелия, но легче циркония — продукт термоядерного синтеза, идущего в недрах звёзд (при том все элементы от железа до циркония образуются при взрывах сверхновых). Но откуда берутся самые тяжелые элементы? Последнее громкое открытие с участием гравитационно-волновых обсерваторий показало, что происходит при столкновении нейтронных звёзд: оптические телескопы зарегистрировали спектры золота, платины и свинца. Расчёты показали, что тодлько золота в результате этого столкновения образовалось больше. чем 10 масс Земли. Подобные астрономические события могут быть источникам большей части, если не всех, тяжёлых элементов во Вселенной.
Происхождение коротких гамма-всплесков
Наши расчеты верны
Все, что мы узнали, анализируя данные гравитационно-волновых интерферометров, было уже предсказано и смоделировано; эксперименты только подтвердили правильность расчётов. Физики знали, какими должны быть длина и энергия гравитационных волн, возникающих при слиянии черных дыр и нейтронных звезд. Они также знали, что черные дыры существуют и иногда сливаются. Они были почти уверены в том, что столкновения нейтронных звёзд порождают тяжелые элементы и короткие гамма-всплески. Больших сюрпризов не было — а это значит, что наша физика надёжна. С её помощью можно предсказывать события, наблюдать которые нет возможности.
Читайте также: