Вклад Георга Рихмана в науку.К трёхсотлетию со дня рождения.
Содержание
Актуальность
Имя Георга Вильгельма Рихмана мало известно, разве, что профессионалам. Хотя имя российского ученого физика XIII века, ближайшего и верного помощника Ломоносова можно, несомненно, поставить на одно из первых мест великих российских ученых-экспериментаторов. Опыты Г.В. Рихмана по электрофизиологии, теплофизике, созданные им приборы, предназначенные для изучения электрических явлений, эксперименты по изучению природы молнии получили самую высокую оценку в мировой науке. 11 июля 2011 года – день рождение ученого. И мы считаем, что имя Г.Рихмана и его вклад в развитие физики должны быть по достоинству оценены нами, живущими в XXI веке.
Цель – выявить значимость научной деятельности российского физика-экспериментатора Георга Рихмана.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1.Ознакомиться с деятельностью ученого Георга Рихмана
2.Исследовать наиболее важные открытия Георга Рихмана.
3.Показать актуальность научных открытий Георга Рихмана.
4.Сформулировать выводы по результатам работы.
План создания проекта:
1. Определить конкретные задачи проекта, в рамках которых будет проведено исследование.
2. Ознакомиться с литературой и справочной информацией по предмету проекта.
3. Провести систематизацию полученных данных. Описать процесс исследования.
4. Составить окончательный вариант текстового документа.
5. Сформулировать выводы и оценить полученные результаты.
6. Составить презентацию, иллюстрирующую проект.
Срок создания и защиты проекта: февраль – апрель 2011г.
Вариант представления результатов исследования - устный доклад на V школьной научно-практической конференции, компьютерная версия- презентация.
Введение
Георг Вильгельм Рихман родился 11 июля 1711 г. в семье казначея в г. Пернове (Пярну). Отец еще до рождения сына умер от чумы. Мать вышла замуж вторично. Начальное и среднее образование юноша получил в Ревеле (ныне Таллинн), большом портовом городе на берегу Финского залива, где были гимназия и навигацкая школа.
К сожалению, материалы о юношеских и студенческих годах Рихмана не сохранились. Но можно предполагать, что большие способности и исключительное трудолюбие выделяли его из среды сверстников. Свое образование он продолжил в немецких университетах сначала – в г. Галле, а затем в г. Йене, где с особым старанием изучал физику и математику.
Желая более обстоятельно изучить физику он приехал в Петербург. Его выбор был не случайным, так как в это время Петр I создает Петербургскую академию, которая значительно отличалась от западно-европейских. Академия в Петербурге была основным источником научных кадров, базой для приобщения молодых людей к научным исследованиям, популяризации научных знаний. Поскольку собственных ученых в России не было, задолго до основания академии лейб-медик царя Блюментрост по приказу Петра («денег жалеть не пристало, а то убытков не оберешься») разослал письма именитым ученым во все концы Европы с приглашениями. Всего в академию были приглашены 23 ученых, в их числе и такие знаменитости, как Л.Эйлер, Д.Бернулли, И.Лейтман. Большинство энергично принялись за организацию работы и научные исследования. В числе академиков оказались наши М.В.Ломоносов и Г.В.Рихман.
13 октября 1735 года Георг Вильгельм Рихман был принят студентом «физического класса» Петербургской Академии наук. Все статьи студента Рихмана были чрезвычайно увлекательными, при этом чувствовалось отличное знание истории вопроса и современного его состояния, тщательный подбор доступных примеров.
В 1740 г. как способный и хорошо подготовленный физик Рихман избирается адъюнктом, а через год «за особливые свои труды и прилежание» – вторым профессором по кафедре теоретической и экспериментальной физики. Спустя всего лишь шесть лет после поступления в Академию Рихман уже стал профессором. Никто не мог так точно и старательно выполнить любой научный опыт, придумать, если требовалось, хитроумный прибор. Неудивительно, что скоро о Георге Рихмане заговорили как о большом мастере различных научных экспериментов.
В «Трудах Петербургской академии» напечатаны девятнадцать его работ по калориметрии и термометрии, по теплообмену и испарению жидкостей, по упругим свойствам воздуха, две работы по электричеству, одна по магнетизму и одна по картографии. Остались неопубликованными пять работ по молекулярной физике, сорок сообщений и статей по статическому электричеству и магнетизму, три работы по механике, две по оптике и перевод курса физики Сегнера.
«В истории мировой науки в прошлых веках, – писал академик С.И.Вавилов, – нельзя указать другой пример столь быстрого и эффективного выращивания науки, как это было в России в первой половине XVIII века через посредство Петербургской академии».
Вклад в физику тепловых явлений
В 1744 г. Рихман представляет в академию труд «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешивании жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты». Однако молодому ученому на академическом собрании были сделаны серьезные замечания, и он провел еще одно исследование, подтверждающее справедливость выведенной им формулы, которое и представил в академию в 1748 г. Проведя огромное число тщательно выверенных опытов, Рихман получил довольно точную формулу (вошедшую в историю физики под его именем) для определения температуры смеси произвольного числа разных порций одной и той же жидкости разной температуры:
tcм=mt1+mt2+..+mt/m1+m2+...+mk
где m1, m2 ... mk – массы смешиваемых жидкостей, t1, t2 ... tk – соответствующие им температуры. Тогда понятия о теплоемкости тела еще не было, так что надо было обладать незаурядной интуицией, чтобы вывести уравнение, точность которого, с современной точки зрения, определяется лишь степенью зависимости теплоемкости от температуры.
Рихман первым использовал уравнение теплового баланса. И хотя это уравнение было составлено для температуры смеси различных количеств одной и той же жидкости, оно в первом приближении выражало правильное распределение теплоты при смешивании любого числа порций жидкости. Используя формулу Рихмана, физики уже в XVIII в. успешно освоили новые методы калориметрических исследований. На основе этой формулы был разработан способ смешивании жидкостей для определения их теплоемкостей. Этот способ также был назван именем Рихмана и до сих пор является одним из основных при определении теплоемкости, удельной теплоемкости и других теплофизических величин: из школьного курса физики нам известно, что удельная теплоемкость вещества рассчитывается по формуле:
Q=cm(t2-t1)
где Q – количество теплоты, которое необходимо передать телу массой m, чтобы повысить его температуру от t1 до t2.
Научные публикации Рихмана говорят о том, что он понимал разницу между теплотой и степенью нагретости – температурой; понимал, что теплота не может быть измерена градусами. «Часто происходит ошибка, – писал ученый, – если о состоянии воздуха, с точки зрения его теплоты, судят по градусу, показываемому термометром».
Позже, в 1855 г., его гипотезу доказал немецкий математик и физик Иоганн Ламберт. При исследовании металлов Г.Рихман установил, что «наибольшую способность удерживать теплоту имеют латунь и медь, затем идет железо, после чего олово и свинец». Эти важные для науки о теплоте исследования он проводил совместно с Ломоносовым. Нагревая различные металлы на одно и то же число градусов, Рихман обратил внимание на еще одну закономерность: время нагрева было различно. По его мнению, это зависело от способности тел принимать или отдавать тепло, т.е., говоря современным языком, от их теплоемкости. В ходе исследований была составлена таблица, в которой металлы располагались не по теплопроводности, а в основном по их теплоемкости. Спустя несколько лет шведский физик Вильке назовет эту физическую величину относительной теплоемкостью.
Большое значение для развития учения о теплоте имели работы ученого по исследованию самопроизвольного процесса переноса тепла из более нагретой среды к менее нагретой путем конвекции и теплопроводности. В первой серии опытов Г.Рихман исследовал закономерность охлаждения воды, заключенной в стеклянный сосуд, который подвешивался на тонком шнуре и соприкасался только с воздухом, имеющим постоянную температуру. В других сериях он изучал влияние на теплообмен величины и формы поверхности охлаждаемой жидкости, а также ее объема. Охлаждение жидкости исследовалось как в стационарных условиях, так и при тепловом потоке, изменяющемся во времени. Ученый заметил, что в сухом неподвижном воздухе охлаждение жидкости происходит иначе, чем во влажном. Анализируя проведенные опыты, Г.Рихман пришел к выводу о том, что теплообмен между телами является сложным физическим процессом, который зависит от температуры тел, поверхности нагрева или охлаждения, объема, а также от способности тел удерживать в себе теплоту.
Подводя итоги своим экспериментам, он сделал вывод, что падение температуры нагретого тела на дельта t при свободном его охлаждении в воздухе прямо пропорционально поверхности этого тела , разности температур тела и среды , времени и обратно пропорционально объему тела. Исследования Г.Рихмана по конвективному теплообмену и открытый им закон были выдающимся вкладом в развитие теплофизики и получили самую высокую оценку в мировой науке.
Создание приборов, предназначенные для количественного изучения электрических явлений
15 августа 1744 г. Л.Эйлера отправил в Академию наук письмо с приглашением принять участие в конкурсе Берлинской академии наук на решение задачи о причине электрических явлений. Письмо было рассмотрено на заседании академического собрания и было принято решение «...произвести также и здесь исследования над явлениями электричества и тщательно изучить все сочинения, написанные по этому предмету, а те, которых нет здесь, как можно скорее добыть». Это новое направление возглавил Г.Рихман. Он очень внимательно изучил все труды по этому вопросу, после чего решил особое внимание уделить методике и технике эксперимента. Так как опытов по электричеству до него в академии никто не проводил, не было и необходимых приборов и материалов. Пришлось приобретать их самому, а кое-что и изготавливать. Поэтому он решает сначала создать прибор, с помощью которого можно было бы измерять электрические заряды, создаваемые на телах при электризации трением, и изобретает «указатель электричества»
Это устройство представляло собой вертикальную металлическую линейку (длиной около 52 см и массой около 615 г), к которой подводился электрический заряд от электростатической машины. К верхнему концу линейки прикреплялась льняная нить (длиной около 61 см и массой около 45 мг). Как только металлической линейке передавался электрический заряд, льняная нить отталкивалась от нее и отклонялась на некоторый угол в зависимости от величины заряда. Угол отклонения измерялся на деревянном квадранте с дуговой шкалой, разделенной на градусы. Для более точных измерений каждый градус был разделен на четыре равные части. В целях устранения контакта льняной нити с квадрантом (во избежание частичной утечки заряда) конец этой нити был удален от него на одну линию (2,5 мм). Для измерения «электрической силы» ученый решил использовать и весы. В целях изоляции весы подвешивались на шелковом шнуре, для устойчивости при помощи щипцов соединялись с деревянной подставкой и уравновешивались грузом, двигавшимся вдоль вертикальной линейки со шкалой. Конструкция позволяла довольно точно измерять расстояние между уравновешенными весами и расположенной под чашкой весов металлической пластиной. Пластина лежала на железных грузах, которые в целях изоляции опирались на смолу в деревянном коническом сосуде. Эти массивные железные грузы соединялись с электростатической машиной и при электризации притягивали чашку весов. Величина силы притяжения определялась по высоте подъема груза. Самый сильный полученный в экспериментах заряд поднял груз массой около 6 г на 5,1 см. Измерять величину заряда взвешиванием оказалось менее удобным, чем с помощью «указателя электричества». Но через полтора столетия идею Г.В.Рихмана физики стали активно использовать для измерения разностей потенциалов. Сегодня на этом принципе основано устройство абсолютного электрометра. Продолжая свои конструкторские изыскания, Рихман решил для «определения интенсивности электрической силы» использовать электрический звонок. Этим методом он сумел проверить, «каким образом по быстроте звона можно распознавать наибольшую степень электричества». Между двумя колоколами помещался железный молоточек. Получив электрический заряд от электростатической машины, молоточек притягивался к колоколу и ударял по нему, производя звон. Разрядившись, он возвращался назад и снова электризовался, ударившись о другой колокол, соединенный с электростатической машиной. Частота и сила ударов молоточка полностью зависели от степени электризации. Таким образом, в Петербурге в 1745 г. было апробировано первое своеобразное автоматическое регистрирующее устройство. Оно позволяло без участия наблюдателя точно фиксировать не только время прохождения заряда по цепи, но и его величину. Ученый на протяжении ряда лет продолжал совершенствовать свой электрометр. Для большего удобства металлическую линейку он поставил в небольшой тонкостенный стеклянный сосуд с узким горлышком и заполнил этот сосуд «железными опилками, стружками любого металла или мельчайшими свинцовыми шариками». Чтобы линейку можно было прикладывать к любому наэлектризованному телу, к ее верхнему концу прикреплялась изогнутая металлическая пластина. К верхнему концу линейки прикреплялась и тонкая льняная нить. Стеклянный сосуд на половину своей высоты помещался в металлический сосуд с ручкой, на которой была укреплена деревянная дуга, разделенная на 170°. Для сравнения величины электрических зарядов, по замыслу Рихмана, необходимо было иметь еще или точно такой же электрометр.Проведя многочисленные эксперименты, ученый пришел к выводу, что электрический заряд на электрометре со временем убывает.
Исследования по электростатике
Создав приборы, предназначенные для количественного изучения электрических явлений, Г.Рихман сразу же приступил к выполнению намеченных исследований. Все полученные результаты он подробно записывал в специальную тетрадь «Новые опыты над электрическими явлениями». Г.Рихман пытался электризовать все -воду, снег, лед, ртуть, уксус, молоко и, поднося к ним палец, вызывал искры, а то и заметное свечение. Заряженным льдом зажигал спирт, нефть. Слух о любопытных опытах быстро раз¬несся по столице. Даже царица Елизавета пожелала посмотреть опыты с «электрической материей», и Г.Рихману пришлось их выполнять прямо в апартаментах Зимнего дворца. Особенно его интересовало влияние электричества на живые организмы. В одном из опытов Рихман отмечал: «Если на железной пластинке электризовать петуха, то в случае прикосновения рукой к концам его ног исходит шипящий голубой огонь». В другом опыте ученый заметил: «Голова, покрытая волосами, в случае приближения к ней наэлектризован¬ной железной проволоки также чувствует болезненные щелчки».
Иногда к Рихману заходил его знаменитый друг Михаил Васильевич Ломоносов. Опыты Г.В. Рихмана по электрофизиологии чрезвычайно заинтересовали М.В.Ломоносова, который прекрасно понимал, что в недалеком будущем электричество найдет свое применение в медицине. Как и многие ученые, Михаил Васильевич стал экспериментировать над собой. «Если голову под проволоку поставить, – писал он в начале 1745 г., – то почувствуешь колотье. Так же, когда плечо приложишь к проволоке, то и сквозь платье колотье почувствуешь... Когда молоток приложишь ко лбу и зубам, а другим концом к проволоке, то почувствуешь немалую болезнь... Маленькие животные чувствуют большую болезнь, нежели великие. Я надеюсь, что карлам больнее будет, нежели рослым людям».
Г.В.Рихман был не только выдающимся физиком-экспериментатором, но и пропагандистом науки об электричестве. Свои опыты ученый неоднократно демонстрировал перед коллегами и студентами. Он легко воспламенял винный спирт и нефть, поднося к ним наэлектризованные тела, зажигал нефть наэлектризованным льдом, электризовал людей и, соединив их между собой проводником, сообщал электрический заряд одному изолированному человеку, а соединив того с другим, ненаэлектризованным, получал искры и «ощутительный свет». Демонстрируя проводимость человеческого тела и сырых ниток, опытным путем доказывал, что неизолированное тело наэлектризовать нельзя. Показывал истечение электрических зарядов с острых конусов наэлектризованных изолированных тел и действие электрического звонка. К своим публичным выступлениям ученый всегда очень тщательно готовился. Демонстрации сопровождались комментариями к результатам, полученным иностранными учеными. Он рассказывал и о том, что удалось ему самому установить в этой области физики, о своих оригинальных методах изучения электрических явлений. Слава об опытах Г.Рихмана быстро росла.
В 1947 году Г.Рихман создал новую электростатическую машину. Была ли она построена – неизвестно, но сохранился ее чертеж, выполненный студентом С.К.Котельниковым.
При жизни Г.Рихмана была напечатана только одна его работа по электростатике, но о ряде неопубликованных статей и множестве заметок ученый мир узнал только в 1956 г., когда был издан сборник всех трудов этого выдающегося исследователя электрических явлений.
Атмосферное электричество
Безусловно, выдающимся научным событием в середине XVIII в. следует считать начало экспериментального изучения самого грозного и величественного явления природы – молнии. В древности люди не понимали природы грозы и, видя гибель людей и возникающие при грозе пожары, связывали это явление с гневом богов, то есть карой за грехи. Восточные славяне в древности чтили бога Перуна, “творца” молнии и грома. Позже наши предки гром и молнию приписывали “деятельности” Ильи-пророка, который, “катаясь на колеснице по небу, пускает огненные стрелы”. Боги грома и молнии известны в религиозных представлениях других народов. Уже в древности жрецы использовали электричество атмосферы для получения “небесного огня” во время приношения жертв. С этой целью в египетских храмах строили высокие деревянные мачты, обитые медными листами. Специальное устройство собирало электрический заряд, достаточный для того, чтобы убить искрой человека или живот. Благодаря упорному труду исследователей удалось показать, что в явлении грозы и молнии нет ничего сверхъестественного, что в нем нет места божественной деятельности и нет причины для суеверных страхов. Проходили десятилетия, а человек никак не мог разобраться в загадочной природе молний и научно обосновать методы защиты. Причиной этому была полная неизученность электрических явлений в атмосфере. Главная проблема заключалась в том, что никто не знал, как извлечь из тучи и подвести к столу экспериментатора страшную молнию. Конечно, эта проблема привлекла и внимание Г.Рихмана. 3 июля 1752 г. он вынес на рассмотрение академического собрания два проекта установки по изучению атмосферного электричества и получил одобрение проекта незаземленной установки («громовой машины», по М.В.Ломоносову). Рихман установил в двухэтажном каменном здании на углу 5-й линии и Большого проспекта Васильевского острова, в котором он жил, железный двухметровый тупой с обеих сторон шест. Шест одним концом проходил через крышу, а другим упирался в бутылку, установленную на кирпичах. К нижней его части прикреплялась проволока, которая выводилась без соприкосновения с другими проводниками на первый этаж и привязывалась шелковой веревкой ко вбитому в стену гвоздю. На проволоку ученый повесил вертикально железную линейку, к верхнему концу линейки привязал льняную нитку той же длины, что и линейка, а под нитью поместил электрометр. Много времени Г.Рихман уделял экспериментам, изучению и научному обоснованию наиболее безопасных методов грозозащиты. В 1752 г. ученый предложил метод защиты, для предупредения возможности образования молнии. К 1753 г. теории атмосферного электричества еще не было. К решению самых, казалось бы, простых вопросов приходилось еще подходить буквально на ощупь. У Рихмана, в частности, возник вопрос: происходит ли электризация воздуха во время артиллерийской стрельбы? Был необходим эксперимент. Ученый решил воспользоваться тем, что 25 апреля в Петербурге в день коронации императрицы Елизаветы предполагалась пальба из пушек. Вместе с Ломоносовым во время залповой стрельбы из 50 орудий он точно установил причины происхождения грозы. Нам, живущим в XXI в., легко понять, какому риску подвергал себя эти ученый, ведь сила тока в молнии может достигать 500 кА.
Убийца – шаровая молния
6 августа 1753 года, когда Г.Рихтер и Ломоносов были в Академии, небо закрыла огромная грозовая туча. Гроза могла разразиться с минуты на минуту. Не теряя времени, Рихман и Ломоносов поспешили домой. Г.Рихман захватил с собой художника-гравера а Ивана Соколова, которому предстояло зарисовать ход опыта.
Трагедия разыгралась в считанные секунды. Придя домой, Г.Рихман, как был в парадном голубом кафтане, тоже направился к молниеотводу. И в этот миг в воздухе появился синеватый огненный шар размером с крупное яблоко. Он подлетел к голове Г.Рихмана. Раздался сильный взрыв. Огненный шар, убивший замечательного ученого, был шаровой молнией.
Весть о трагической гибели Рихмана быстро облетела всю столицу. Такое грозное и величественное явление природы, как молния, всегда вызывало страх у любого. Но, оказывается, в Петербурге жил человек, который не боялся молнии, а пытался познать ее тайны! Это люди особого мужества и особой отваги.
29 июля множество народа пришли проводить ученого в последний путь как благородного рыцаря науки, не пощадившего своей жизни во имя познания неизведанных тайн природы.
Рекомендации:
Данный проект может быть использован в качестве информационного и наглядного пособия на уроках при изучении соответствующих тем в курсе физики и на внеклассных мероприятиях по физике.
