Лаб практ КСЕ часть 1 предварительный

ТотжеИсаакНьютонзакрыли«последнююбрешь»вэкспериментеГалилея – провел прямое сравнение скорости падения именно птичьего пера и кусочка металла при отсутствии силы сопротивления воздуха 1. Сам Галилей сделать это не мог – ведь для уничтожения силы сопротивления воздуха нужен вакуум (может, и не совсем полный, но все же вакуум). У Галилея вакуума не было 2. А у Ньютона – уже был. Он откачал воздух из длинной толстостенной стеклянной трубки и проследил за падением

Именно этот исторический опыт вам и предстоит воспроизвести. Вы можете заодно считать, что вы проверяете и принцип эквивалентности, то есть экспериментальную основу общей теории относительности.

Описание установки

В нашем опыте используется (см. рис. 14) длинная толстостенная (чтобы не раздавило воздухом) стеклянная трубка (1), снабженная впускным патрубком с краном (2), который может быть открыт или закрыт. Патрубок соединен гибкой резиновой трубкой (4) с воздушным насосом

(3) (насос Камовского), который предназначен для выкачивания воздуха извнутреннейчаститрубки.Чтобывыкачатьвоздухизстекляннойтрубки, необходимо повертеть по часовой стрелке маховик (7). Резиновая трубка надета на патрубок не очень плотно, так что при желании ее можно снять и тем самым отсоединить трубку Ньютона от насоса.

Рис. 14. Трубка Ньютона (1), впускной патрубок с краном (2), насос Камовского (3), резиновая трубка для откачивания воздуха (4), перышко (5), металлическая пластинка (6), маховик, который надо вращать для откачивания воздуха (7)

1Сохранились сведения об опровержении опытов Галилея неким иезуитом, который бросал – причем именно с Пизанской башни – деревянные и чугунные шары. Разумеется, деревянные шары в полете отставали от железных в результате влияния силы сопротивления воздуха.

2Кстати, первым вакуум получил именно его ученик Торричелли.

21

Таким образом, внутри трубки может быть либо вакуум (если воздух из внутреннего объема откачали и закрыли впускной кран), либо воздух (если впускной кран открыли, см. рис. 15).

Рис. 15. Кран закрыт (слева) или открыт (справа)

Для того чтобы проследить за опытом Ньютона, внутри трубки заранее имеется два предмета – кусочек металла (6) и птичье перышко (5). Если перевернуть трубку, то оба предмета начнут падать вдоль трубы и легко заметить, кто из них падает быстрее.

Порядок выполнения работы

1. Не вытаскивая стеклянную трубку из пенопластового футляра, откройте кран патрубка (поз. 2 на рис. 14).

2. Вращая маховик (7) по часовой стрелке, откачайте воздух из внутреннего пространства стеклянной трубки (1) (50 оборотов маховика вполне хватит). Перед откачиванием обязательно проверьте, что перо лежит в противоположном от крана конце трубки. Иначе его может затянуть в насос, и придется насос чинить (Вам, разумеется – кому же еще).

3.Закройтевпускнойкран(2)трубкиНьютона(1).Теперьвтрубке будет вакуум до тех пор, пока вы вновь не впустите туда воздух.

4.Отсоедините резиновую трубку (4) от впускного патрубка трубки Ньютона (1). Теперь трубка Ньютона ничем не связана снасосомиееможнобезпроблемвытаскиватьизпенопластово-

гофутляраипереворачивать.Новамделатьэтокатегорически

запрещенопосоображениямбезопасности.Вамможнотолько смотреть, как это делает лаборант.

22

5.Поэтому позовите лаборанта или преподавателя. Пусть лаборант возьмет трубку и повернет ее вертикально, а потом быстро, но аккуратно перевернет. Пронаблюдайте за падением перышка и металлической пластинки. Сравните скорости их падения в вакууме.

6.Пусть лаборант положит трубку назад в пенопластовый футляр. Теперь вы можете продолжать сами.

7. Откройте впускной кран (2). При этом раздастся «ш-ш-ш» и воздух войдет во внутреннюю часть трубки. Теперь вакуума внутри нет, а есть обычный воздух при атмосферном давлении. Поэтому вы можете вновь достать трубку из пенопластового футляра и теперь уже сами вновь проделать пункт 5:

•отойти от стола,

•повернуть трубку вертикально,

•быстро, но аккуратно перевернуть,

•пронаблюдать за скоростью падения перышка и металлической пластинки, но теперь уже в воздухе.

8.Сравнитескоростипаденияперышкаикусочкаметаллаввоздухе. Чем ситуация отличается от случая вакуума и почему?

9.Положите трубку на место (в пенопластовый футляр). Проследите, чтобы перо лежало подальше от крана, а то его засосет

внасос следующий студент.

Контрольные вопросы

1.Кто такой Аристотель? Когда и где жил?

2.Что Аристотель считал лучшим средством постижения истины – умозрительные рассуждения или опыт?

3.Можно ли считать Аристотеля ученым?

4.Был ли Аристотель рационалистом?

5.Можно ли считать Аристотеля экспериментатором?

6.Что думал о скорости падения тел Аристотель? Почему он так думал?

7.Кто такой Галилей? Когда и где жил?

8.Можно ли считать Галилея рационалистом?

9.Можно ли считать Галилея экспериментатором?

10.Кто считается основателем экспериментального естествознания?

11.Почему Галилей усомнился в выводах Аристотеля?

12.Как Галилей исследовал падение тел?

13.Кто создал первый телескоп?

14.Кто открыл спутники Юпитера?

15.Кто открыл пятна на Солнце?

16.Кто открыл горы на Луне?

17.Кто такой Ньютон? Когда и где жил? Какие сделал открытия?

23

18.В чем смысл опыта Ньютона с трубкой Ньютона? Зачем был нужен этот опыт?

19.Кто такой Эйнштейн? Когда и где жил? Какие открытия сделал?

20.Кто создал общую теорию относительности?

21.Сформулируйте принцип эквивалентности. Кто его первым сфор мулировал? Кто его первым проверил экспериментально?

22.Как Ньютон проверял принцип эквивалентности?

23.Кто шипит в пункте 7 «Порядка выполнения работы»?

24.Откуда берутся приливы и отливы? Кто первым их объяснил?

25.Кто первым увидел спутники Юпитера, пятна на Солнце, горы на Луне?

26.Какой системы мира придерживался Аристотель (геоили гелиоцентрической)?

27.Какой системы мира придерживался Галилей (геоили гелиоцентрической)?

28.Какой системы мира придерживался Ньютон (геоили гелиоцентрической)?

29.Какой системы мира придерживался Эйнштейн?

30.В каком году Галилей был реабилитирован? Почему?

31.Кто ввел в физику понятие «фотон»?

24

Лабораторная работа № 3 Магнетизм, рамка Эрстеда и великие объединения

Введение

Электричество и магнетизм известны людям с древнейших времен. Уже древние греки знали, что если потереть кусочек янтаря (а янтарь по-гречески – «электрон») о шерсть, то после этой нехитрой процедуры он начинает притягивать к себе мелкий мусор – волосинки, ниточки и так далее. Вы, конечно, знаете, что это происходит потому, что при трении происходит «электризация трением»1 , смысл которой сводится к переходу части электрического заряда с янтаря на шерсть и в результате которой

иянтарь, и шерсть (прежде электронейтральные) оказываются электриче- скизаряженнымизарядамипротивоположногознака(янтарь–отрицатель- но, а шерсть – положительно).

Те же древние греки знали и о магнетизме. Слово «магнит» происходит от названия города Магнезия в Малой Азии, из которого привозили природные магниты – магнитный железняк. Первым, кто письменно описал электрические и магнитные явления, был, вероятно, великий древнегреческий философ Фалес Милетский2. Он жил в седьмом веке до нашей эры в городе Милет (греческая колония в Малой Азии) и был одним из основателей древнегреческой (а стало быть, и нашей с вами) науки и философии.

Практические применения у «древнегреческого» электричества отсутствовали (если не считать практическими применениями гибель людей

иживотных в результате ударов молнии, каковая, впрочем, не связывалась с янтарем, а относилась к деятельности богов-громовержцев ).

1Трение тут, конечно, ни при чем – оно просто обеспечивает хороший контакт янтаря с шерстью на большой поверхности.

2Фалес Милетский (родился около 640 – умер около 546 года до нашей эры) – древнегреческий философ и ученый, основатель так называемой ионийской (милетской) школы, родоначальник античной философии и науки; в древности почитался как один из «семи мудрецов» и стал легендарной личностью. Аристотель начинает с Фалеса историю метафизики, Евдем — историю астрономии и геометрии. Фалес происходил из города Милет в Малой Азии. Был близок милетскому тирану Фрасибулу и связан с храмом Аполлона Дидимского, покровителя морской колонизации. По свидетельству Диогена Лаэртского, Фалес бывал в Египте и жил у жрецов, изучая астрономию и геометрию. Видимо, Фалес использовал научные достижения египтян, вавилонян и финикийцев. Диоген Лаэртский сообщает, что именно Фалес установил продолжительность года и разделил его на 365 дней. По словам Геродота, в 585 до н. э. мудрец предсказал полное солнечное затмение. Из приписываемых Фалесу сочинений ни одно до нас не дошло. Содержание их известно только в передаче более поздних авторов (того же Диогена Лаэрция, Аристотеля и т.д.). Аристотель приводит 4 тезиса, которые могут восходить к устному учению Фалеса: 1) все произошло из воды; 2) земля плавает по воде подобно дереву; 3) все полно богов или душа размешана во вселенной; 4) магнит имеет душу, так как движет железо. Таким образом, Фалес впервые сформулировал две основные проблемы греческой натурфилософии: проблемы начала и всеобщего.

25

Магнетизм же уже в древности имел очень важное практическое применение – компас. Компас изобрели китайцы. Уже в 3 веке до нашей эры китайский философ Хэнь Фэй-цзы описал компас в виде тщательно отполированного шарообразного куска магнита с выступом-указателем. Этот магнит устанавливался на гладкой пластинке, которой касался только

водной точке. Поэтому магнит мог свободно поворачиваться в любую сторону. Он это и делал, попутно указывая выступом-стрелкой на юг. В 11 веке нашей эры (всего-навсего через полторы тысячи лет) китайцы усовершенствовали конструкцию компаса, придумав «плавающий компас» – кусочек магнита, прикрепленный к деревянной рыбке, плавающей

всосуде с водой. Такая конструкция обеспечивала еще меньшее трение и, соответственно, большую точность. В 11 веке многие китайские корабли были укомплектованы плавающими компасами – это позволяло капитанам точно держать курс в открытом море без помощи звезд и, более того, независимо от наличия или отсутствия облаков на небе. Китайские ученые даже знали о магнитном склонении – они понимали, что стрелка магнита указывает не точно на южный географический полюс, а немного в сторону и умели вычислять магнитное склонение для разных районов Китая. В 12 веке арабские моряки переняли компас у китайских, а в 13 веке – итальянские у арабских. Чуть позже компас появился у прочих европейцев – испанцев, португальцев, французов. Самыми последними к этому новшеству присоединились немцы и англичане. Компас произвел настоя-

Рис. 16. Уильям Гильберт, впервые предложивший термин «электризация»

Все многообразие явлений и вещей он сводил к единой основе (первоначалу, элементу), которой Фалес считал воду. Отличая душу от тела, душевную жизнь от процессов природы, Фалес, вслед за Гомером, представлял душу в виде тонкого эфирного вещества. Он считал, что душа как активная сила и вместе с тем носитель разумности и справедливости причастна к божественному (разумному и прекрасному) строю вещей. По свидетельству Прокла, Фалес первый стал доказывать геометрические теоремы; ему принадлежат доказательства следующих положений:1)кругделитсядиаметромпополам;2)вравнобедренномтреугольнике углы при основании равны; 3) при пересечении двух прямых образуемые ими вертикальные углы равны; 4) два треугольника равны, если два угла и сторона одного изнихравныдвумугламисоответствующейсторонедругого.Доказаллионзаодно и «теорему Фалеса» из школьного курса геометрии – я не знаю. Вряд ли.

2Зевс у греков, Юпитер у римлян, Перун у славян и так далее.

26

щую революцию в мореплавании. Именно появление компаса позволило кораблям уверенно ориентироваться в открытом море, а не жаться к берегам во избежание страшной участи – безвозвратно потеряться в океане. Без компаса не состоялось бы и открытие Америки – никто просто не отважился бы отплыть от берега на расстояние нескольких месяцев плавания.

Рис. 17. Бенджамин Франклин. Великий американский политический и государственный деятель, просветитель и ученый

Только в конце 16 века английский ученый Уильям Гильберт1 (см. рис. 16) обнаружил, что электризации трением подвержен не только янтарь, но и многие другие вещества – например, стекло, потертое о шелк. Тот же Гильберт впервые изготовил примитивный электроскоп и ввел сам термин «электризация». А вот существования двух типов электрического заряда Гильберт не открыл. Это сделал французский физик Шарль Франсуа Дюфе2 лет через 100 после Гильберта – в 1733 году. Еще через 15 лет (в 1748 году) великий американский государственный деятель, просветитель и ученый БенджаминФранклин3 (см.рис.17)назвалодинвидэлектрическогозаряда положительным, а другой – отрицательным.

Дальше развитие теории электричества и теории магнетизма (именно так – по отдельности) пошло гораздо быстрее. Так, уже в 1785 году Шарль Огюстен Кулон4 (см. рис. 18) открыл закон Кулона для взаимодействия

1Гильберт Уильям (1544-1603) – английский физик и врач. В труде «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» (1600) впервые последовательно рассмотрел магнитные и многие электрические явления. Гильберт является первым серьезным исследователем проблем электричества и магнетизма.

2ДюфеШарльФрансуа(1698-1739)–французскийфизик.Открыл(1733-1734)су- ществование двух родов электричества и установил, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно – притягиваются.

3Франклин Бенджамин (Benjamin Franklin) (17 января 1705, Бостон – 17 апреля 1790, Филадельфия) – американский государственный деятель, ученый-просвети- тель, участник Войны за независимость, один из авторов Декларации независимости США (1776) и Конституции США (1787). Одновременно – главное украшение современной стодолларовой купюры США.

4Кулон (Coulomb) Шарль Огюстен (1736-1806) – французский инженер и физик, один изоснователейэлектростатики.Исследовалдеформациюкручениянитей,установилее законы. Изобрел (1784) крутильные весы и открыл (1785) закон, названные его именем. Установил закон сухого трения (который, кстати, тоже называется законом Кулона).

27

точечныхэлектрическихзарядов(иещеодин,точнотакойже«законобрат- ныхквадратов»–длявзаимодействияточечныхмагнитныхзарядов,вроли которых выступали острые концы намагниченных спиц1). Формальная аналогия между электростатикой и магнитостатикой свидетельствовала о сходном характере этих явлений, но не более. Магнетизм и электричество считались независимыми друг от друга, хотя и сходными, явлениями. Никтонемогпохвастатьсятем,чтоемуудалосьспомощьюмагнетизмапо- лучитьэлектричествоилиспомощьюэлектричества–магнетизм.Пер- вым«получилмагнетизмизэлектричества»Х.Х.Эрстед2 (см.рис.19) в 1820 году, а «электричество из магнетизма» – Майкл Фарадей3

(см. рис. 20) в 1831 году.

Рис. 18. Шарль Огюстен Кулон – открыватель двух законов Кулона

1 Мы теперь знаем, что магнитных зарядов нет в природе. Но формально магнитостатика полностью совпадает с электростатикой за одним важным исключением – магнитные заряды невозможно разделить. При попытке распилить пополам намагниченную спицу, на одном конце которой имеется «положительный магнитный заряд», а на другом – «отрицательный магнитный заряд», мы получаем не половинку спицы с положительным магнитным зарядом и половинку спицы с отрицательным зарядом, а две половинки, у каждой из которых на одном конце положительный магнитный заряд, а на другом – отрицательный.

2 Эрстед Ханс Кристиан (1777-1851) – датский физик, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Труды по электричеству, акустике, молекулярной физике. Открыл (1820) магнитное действие электрического тока.

3 Фарадей Майкл (1791-1867) – английский физик, основоположник учения обэлектромагнитномполе,иностранныйпочетныйчленПетербургскойАН(1830). Обнаружилхимическоедействиеэлектрическоготока,взаимосвязьмеждуэлектричеством и магнетизмом, магнетизмом и светом. Открыл (1831) электромагнитную индукцию – явление, которое легло в основу электротехники. Установил (1833-34) законы электролиза, названные его именем, открыл пара- и диамагнетизм, вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея). Доказал тождественность различных видов электричества. Ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.

28

Рис. 19. Ханс Христиан Эрстед – открыватель магнитного действия тока. Нарисован с магнитной стрелкой

Рис. 20. Майкл Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции Фарадея

Открытие Эрстедом магнитного действия электрического тока в 1820 году произвело большое впечатление на современников. Смысл этого открытия состоял в том, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Удивительно, но этого до Эрстеда никто не замечал. Да и сам Эрстед заметил это явление случайно – во время проведения лекционной демонстрации рядом с проводом оказалась магнитная стрелка и кто-то1 заметил, что при включении тока она качнулась.

Важность открытия Эрстеда заключалась в том, что два типа физических явлений, дотоле считавшихся совершенно независимыми друг от друга, оказались просто двумя сторонами одного и того же – электромагнитного – взаимодействия тел. По существу это было первым из «великих объединений», каждое из которых составляет веху в развитии физики

1Кто именно – вопрос темный. То ли сам Эрстед, то ли один из студентов, то ли даже университетский швейцар. Есть разные байки на эту тему. Но смысл происходящего все-таки в любом случае понял именно Эрстед.

29

исводитсякувеличениюстепенипростотыиглубинынашихпредставлений об окружающем мире. Именно открытия Эрстеда (магнитное действие электрического тока) и Фарадея (создание электрического поля переменным магнитным полем) можно рассматривать как первое (по времени) из «великих объединений» – объединение электричества и магнетизма.

Вторым «великим объединением» было открытие общефизического закона сохранения энергии для тепловых и механических явлений (он же – первое начало термодинамики), установленного в период с 1840 до 1850 года Ю. Р. Майером1, Д. П. Джоулем2 и Г. Л. Гельмгольцем3 .

Третьим «великим объединением» является вывод Джеймса Клерка Максвелла4 (см. рис. 21) о том, что свет – это электромагнитная волна. ЭтотвыводМаксвеллсделалв1864году,когдавыяснилось,чтоследствием четырех уравнений Максвелла является вывод о существовании электромагнитных волн, скорость которых оказалась в точности совпадающей со скоростью света в вакууме. Это было «великое объединение» электромагнетизма и оптики.

Четвертым и пока что последним из «великих объединений» является создание теории электрослабого взаимодействия, имевшее место в 60-х годах 20 века. Эта теория была создана трудами

1Майер Юлиус Роберт (1814-78) – немецкий естествоиспытатель и врач. Первым сформулировал закон сохранения энергии (эквивалентности механической работы и теплоты) и теоретически рассчитал механический эквивалент теплоты (1842). Идеи и приоритет Майера долгое время не были признаны.

2Джоуль Джеймс Прескотт (1818-89) – английский физик. Экспериментально обосновал закон сохранения энергии, определил механический эквивалент тепла. Установил закон, названный законом Джоуля – Ленца. Открыл (совместно с У. Томсоном) эффект, названный эффектом Джоуля – Томсона.

3Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд (1821-1894) – немецкий ученый, иностранный член-корреспондент Петербургской Академии наук (1868). Автор фундаментальных трудов по физике, биофизике, физиологии, психологии. Впервые (1847) математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Разработал термодинамическую теорию химических процессов, ввел понятия свободной и связанной энергий. Заложил основы теорий вихревого движения жидкости и аномальной дисперсии. Автор основополагающих трудов по физиологии слуха и зрения. Обнаружил и измерил теплообразование в мышцах, изучил процесс сокращения мышц, измерил скорость распространения нервного импульса. Сторонник физиологического идеализма.

4Максвелл Джеймс Клерк (13 июня 1831, Эдинбург, – 5 ноября 1879, Кембридж) – английский физик, создатель классической электродинамики, один из основоположников статистической физики, основатель Кавендишской лаборатории, одного из крупнейших мировых научных центров конца 19 – начала 20 вв.; создал теорию электромагнитного поля, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света, установил первый статистический закон – закон распределения молекул по скоростям, названный его именем.

30