Вклад Георга Рихмана в науку.К трёхсотлетию со дня рождения.

Актуальность

Выдающийся физик-экспериментатор XVIII века Георг Рихман

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

В 1744 году Рихман начал развивать теорию электирических явлений.Он очень внимательно изучил все труды по этому вопросу, после чего сделал вывод, что опытов по электричеству до него в академии никто не проводил, не было и необходимых приборов и материалов, а значит необходимо 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 , к которой подводился электрический заряд от электростатической машины. К верхнему концу линейки прикреплялась льняная нить. 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. Для измерения «электрической силы» ученый решил использовать и весы, которые 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. Далее Рихман продолжает свои эксперименты и в 1745 г. в Петербурге 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- электрометр.

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 тетрадь «Новые опыты над электрическими явлениями». Г.Рихман пытался электризовать все -воду, лед, ртуть, уксус и, поднося к ним палец, вызывал искры. Заряженным льдом зажигал спирт, нефть. Слух о его опытах быстро разнесся по столице. Даже царица Елизавета захотела 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».

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 нефть, поднося к ней 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». 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

Выдающимся научным событием середины XVIII в. можно считать начало экспериментального изучения самого грозного и величественного явления природы – молнии. С давних пор люди не понимали природы грозы и, видя гибель людей и возникающие при грозе пожары, связывали это явление с гневом богов. 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”. Уже в древности жрецы использовали электричество атмосферы для получения “небесного огня” во время приношения жертв.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 многие годы, а человек никак не мог разобраться в загадочной природе молний и научно обосновать методы защиты от нее. Причиной этому была полная неизученность электрических явлений в атмосфере. Главная проблемаявлялось то, что никто не знал, как извлечь из тучи и подвести к столу экспериментатора страшную молнию. Именно эта проблема и привлекла 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 здании на углу 5-й линии и Большого проспекта Васильевского острова, в котором он жил, железный двухметровый шест,который 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 можно сказать наугад. У Рихмана возник вопрос: происходит ли электризация воздуха во время артиллерийской стрельбы? 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 экспериментально 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

Трагическая смерть Георга Рихмана

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 много людей пришли проводить ученого в последний путь как благородного рыцаря науки, не пощадившего своей жизни во имя познания неизведанных тайн природы.

Выводы

1. Исследования Г.В. Рихмана по конвективному теплообмену и открытый им закон были выдающимся вкладом в развитие теплофизики и получили самую высокую оценку в мировой науке.

2. Г.В.Рихман - выдающийся российский физик –экспериментатор XVIII века. Опыты ученого по электрофизиологии, эксперименты по изучению самого грозного и величественного явления природы молнии, созданные им приборы ,предназначенные для количественного изучения электрических явлений определили будущее развитие науки новым поколение российских и западных ученых.

3. Г.В.Рихман для блага Родины, во имя процветания отечественной и мировой науки работал самозабвенно. И погиб как герой науки – во время проведения своих опытов.

.

Используемая литература

1.Блудов М.И. Беседы по физике. Ч. I. – М.: Просвещение, 1984.

2.Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. – М.: Просвещение, 1986.

3.Елисеев А.А. Г.В.Рихман. – М.: Просвещение, 1975.

4.Колтун М. Мир физики. – М.: Детская литература, 1987.

5.Кудрявцев П.С. История физики. – М.: Учпедгиз, 1956.

6.Мощанский В.Н., Савелова Е.В. История физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1981.

7.Спасский Б.И. Физика в ее развитии. – М.: Просвещение, 1979.

8.Тарасов Л.В. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988.

9.Физическая энциклопедия. Т. 1. – М.: Советская энциклопедия, 1988.

10.Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. – М.: Наука, 1983.

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, а так же может быть предложен в качестве самостоятельного источника информации для подготовки сообщений учащимися.