Landsberg-1985-T3

источники (находящиеся в большинстве своем в пределах Галактики),

излучающие строго пер и о Д и ч е с к и е и м n у л ь С ы радиоволн.

Эти источники получили название пульсаров. Периоды повторения им·

пульсов у разных пульсаров различны и составляют от нескольких се·

кунд до нескольких сотых долей секунды и даже Меньше. Характер ра·

диоизлучения пульсаров получает, по-виднмому, наиболее правдоподоб·

ное объяснение, если допустить, что пульсары - это вращающиеся

звезды, состоящие в основном из нейтронов (нейтронные звезды). В 06- наружении и возможности наблюдения таких звезд и состоит 6ольшо~

научное значение этого радиоастрономического открытия.

Кроме приема собственного радиоизлучения тел Солнечной систе­ мы, применяется также их радиолокация. Это так называемая радиоло­ кационная астрономия. Принимая отраженные от какой-либо из планет

радиосигналы мощных локаторов, можно очень точно измерять расстоя­

ние до этой планеты, оценивать скорость ее вращения вокруг оси и су­

дить (по интенсивности отражения paдHOBo.'IH различной длины) о свой­

ствах поверхности и атмосферы планеты.

Отметим в заключение, что прозрачность ноносферы для достаточно

коротких радиоволн позволяет также осуществлять все виды радиосвя­

зи с искусственными спутниками Земли и космическими кораблями (соб­

ственно связь, радиоуправление, телевидение, а также телеметрия -

передача на Землю показаний различных измерительных приборов). По той же причине можно использовать теперь метровые радиоволны

для связи и телевидения между сильно удаленными друг от друга пунк,

тами земной поверхности (например, между Москвой и нашими дальне· восточными городами), применяя однократную ретрансляцию передач

специальными спутниками, на которых установлена приемно-передаю­ щая радиоаппаратура.

§ 64. Заключительные замечания. Радио является теперь

одной из самых обширных и важных областей техники, в большой мере определяющей характер современной цивили­ зации. В физике также выделилось большое направление,

связанное с изучением разнообразных явлений, отноеящих­

ся к этой области,- радиофизика. Говоря о современном ра­

дио, следует иметь в виду, ЧТО оно уже не исчерпывается та­

кими применениями, в которых приходится иметь дело с

распространением радиоволн на более или менее далекие

расстояния (радиосвязь, телевидени~, радиолокация, ра­ дионавигация и т. п.). Огромную роль играют и совсем

иного рода применения радиотехнических приборов и

методов.

В самых различных практических областях все чаще воз­ никает задача превращения каких-либо неэлектрических

колебаний (механических и звуковых, колебаний силы света,

температуры или давления, уровня жидкости и т. д.) В ко­ лебания электрические. Объясняется это именно тем, что средства современной радиотехники позволяют легко и бы­

стро производить всевозможные операции с электрическими

колебаниями, в миллионы раз усиливать их, менять их ча-

174

стоту И форму и, наконец, с ПОМОЩЬЮ электронного оСЦIIЛ­ лографа наблюдать и исследовать их вплоть до частот в сот­

ни мегагерц.

В итоге радиотехнические приборы и способы IIсслеДова­ ния проиикли теперь почти во все области техники, ими ши­ роко пользуются при саыых разнообразных научных иссле­ дованиях как в лаборатории, так и в природных условиях (например, при изучении ионосферы), они нашли применевие в ряде производств и в медицине. С помощью высокочастот­ ных электрических колебаний лечат больных, производят

закалку стали, сушат древесину, стерилизуют консервы,

ищут мины и т. д. Электронный осциллограф является те­ перь ходовым прибором и В оптической лаборатории, и на

столе у био~юга.
Этот раздел книги был	посвящен колебаниям и	BOJ)-
нам - учению о колебаниях	в широком смысле слова.	Это

учение рассматривает не только электрические колебания,

а колебания самой различной природы, открывая и изучая общие для них всех законы. Но после сказанного выше о роли

электрических колебаний не приходится удивляться тому,

что наиболее обширный и разнообразный материал, наиболее сложные и интересные задачи давала учению о колебаниях именно радиотехника. Интенсивное развитие учения о коле­

баниях в период 1915-1945 гг. было в первую очередь свя­

зано с удовлетворением запросов радиотехники.

В дальнейшем вопросы, связанные с колебаниями (и, в частности, с автоколебаниями), приобрели большое зна­ чение в другой быстро развивающейся области техники - автоматике (автоматическое регулирование машин и дви­ гателей, автоматическое управление самолетами, кораб­ лями, ракетами, космичеСКИМJ' кораблями и т. п.). В связи

с этим большую роль ДЛЯ учения о колебаниях начала

играть и автоматика.

? 1. Каково должно быть ускорение свободного падения, чтобы

•длина маятника с периодом 2 сравнялась 1 М? Достигает ли уско­ рение свободного падения где-либо на земном шаре такого зна­

чения?

2. Какова должиа быть длина маятника с периодом I мин на ши­

роте Москвы (g=9,815 м/с2)?

3. Два одинаковых маятника помещены один на полюсе, другой

на экваторе. Сколько колебаний совершит маятник на полюсе в течение 1000 колебаний маятника на экваторе?

4. Период маятника, с которым демонстрировался опыт Фуко в

здании Исаакиевского собора в Ленинграде, равен 20 с. На широте

Ленинграда g=9,82 м/с2• Найдите длину маятника.

5. Стальной шарик отпускают на высоте h над горизоитальной

стальноА плитоА. Если пренебречь сопротивлением воздуха и по~

175

терями энергии при ударах о плиту, то шарик будет периодически

подскакнвать на высоту h и снова падать на плиту. Какую Д.1ИНУ 1 ДО.lжен иметь математический маятник, чтобы его период был таким же, как период движения шарика?

6. Два шарика скатываются без начальной скорости с высоты I! по

желобам. Один желоб изогнут в вертикальной плоскости по дуге окружности радиуса R, а другой - прямой - идет по хорде этой дуги. Предполагая, что I! мало ПО сравнеиию с R, и пренебрегая

трением, найдите, за какие промежутк!! времени шарик!! достиг­

нут наинизшей ТО'IКИ (где изогнутый желоб горизонтален). Зави­ сят ли промежутки времени от высоты h? К аковы скорости шари­ коп в наинизшей точке?

7.,V!аятник сделан из сосуда с водой, подвешенного на длинной нити. Вода постепенно выливается через отверстие в дне сосуда.

Как будет изменяться период маятника (массой сосуда прене­ брегаем)?

8.Гиря растягивает пружину на 2 мм. С каким периодом будет

колебаться такой ПРУЖИffНЫЙ маятник?

9. Почему нельзя раскачап, маятник, толкая его в одну и ту же

сторону два раза за период?

1(). При больших амплитудах маятник не обладает изохрониз­

момего период будет зависеть от амплитуды. Уменьшается И.1II

увеличивается период с увс.1ичением амплитуды?

11.	Приведите пример	автоколебаний в нашем организче.
12.	На отклоняющие	пластины электронного осциллографа по­

Даны гаРМОНf!ческие напряжС'ния одиrrакопой частоты и ампли­

туды. Как будет двигатьсп спеТ.1Ое пятнышко на экране ОСUИ.Т,'JQ­ графа. если: а) оба напрпжсния в одинаковой фазе; б) в противо­

фазе; В) напряжение на горизонтальных пластинах отстает по фа­

зе от напряжения на вертикальных На 90°?

13. CI<o.lbKO вречени ЗВУК идет от Москпы до Ленинграда (рас­ СТ05!fJие около 650 км) и свет - от Луны до Земли (расстояние около 385 000 км)?

14.Сколько раз за 1 с радиоволны могут обежать Землю по эква­ тору?

15.Для измерения огромных астрономических расстояний поль­ зуются свеmовЬСII годо,н II nарсскоы. Световой год - это PC1CCTO>I-

ние, rJроходимое световой волной в течеfli!С одного года (:365 су­ т(ж). Парсек (сокращение от слов пара.7Л:Jкс-секунда) - расстоя­ ние, с которого радиус зе~шой орбиты (150 М.7Н. км) виден под углом 1". Выразите световой год и парсек в километрах.

16. Почему при близкой молнии слышеII резкий оглушительный

удар, а при далекой молнии - раскатистый гром?

17. Принимая, что наиболее IJизкая воспринимаемая ухом частота равна 16 ГЦ, определите, какой ДJlIIне волны в воде она соот­

ветствует.

18. Сирена с 12 отверстиями в диске делает 700 оборотов в мину­ ту. Определите период звуковых КО:lебаний, их ОСIЮ1311УJO 'IacToTY

исоответствvющую ей длину волю,) в !JОЗ,1ухе.

19.Звуковая дорожка на п.тастинкс ,1.151 пrоигрыв:1ТСЛЯ (элект­ рофоnэ) начинается на расстоянии 1401 от оси ВР:Jщенин. а кон­

чается на расстоянии 5,6 CТ\l. П.таСТJ1Нка ВР;lщается С частотой 32 оборота в минуту. Какова Д.1ИШ1 1 пеrиода ИЗВИ"lИfl дорожки для тона с частотой 440 Гц В начале и в конце дорожки?

20. Почечу игрушечный «телефоН>>, состоящий ИЗ двух мембран, соединенных натянутой ниткой или проволокой (рис. 150), по-

176

зволяет переговариваться ТИХИМ голосом и даже шепотом на

расстоянии нескольких десятков метров?

21. Как будет меняться вид интерференционной каРТJlНЫ от двух

когерентных источников, колеблющихся в одинаковой фазе, в

зависимости от расстояния между ними? Проделайте опыт в по­

дяной ванне, меняя расстояние между колеблющимися остр и 51 ми.

22. Как должен изменяться тон ДУХОВЫХ ИНСТ[1умеитов прн новы­ шении температуры? Одинаково ли это изменение для металли­ ческих и деревянных труб?

Рис. 150. К упражнению 2()

23.Какой длины резонансный ящик нужен для ,{амертона, имею­

щего частоту 300 Гц?

24.Если дуть мимо отверстия дверного ключа, получается свнст. Как определить частоту ОСНОВНОГО тона?

25.Имеются две трубы одинаковой длины - одна открытая с

обоих концов, другая с одного конца закрытая. Найдите отноше­

ние частот четвертых обертонов.

26.Почему перестают колебаться обе НОЖки камертона, если кос­ нуться одной И3 них?

27.Как изменится частота камертона, если к концам его ножек

прилепить по кусочку ВОСКа?

28.Стальная струна длиной 50 см Ii ТОЛЩИНОЙ 0,1 мм натянута ГРУЗО:'I, масса которого равна 9,68 !\г. I-liliiти ОСllОВНУЮ частоту и

соответствующую длину волны в lJоздухе. Плотность стали раlJна

7,8.103 кг/мз.

29. Стальная и платиновая струны ОДИl13КОIЮГО сечения натянуты

одинаковыми гр узами и звучат IJ Y!JJ1COII. В Кiшом отношении на­

Ходятся их длины?

,зо. Почему басовые струны р()яля деЛ~J()ТСЯ в виде центральной стальной жилы, на которую ТIJJОТJЮ напита пров()лочная спираль? :31. ПРИ каком условии ыол или дамба 'lOгут защитить от волне­

ния. происходящего в ()ткрыт()ы море?

32. Маятник сделан из эбонитов()г() или стеклянного шарика,

подвешенного на шелко!З()й нити. lllарик заряжен отрицательно.

Как изменится период, если ВТОР()Й ПО.1()жительно заряженный

177

шарик поднести снизу (рис. 151, а) или поместить в точке подвеса

(рис. 151,б)?

33. Колебательный контур радиоприемника состоит из катушк!!

индуктивности L=5 ·\0- 8 Гн и конденсатора емкости С. При ка­

ком значении С контур будет настроен на прием радиоволн д.щ­

ной ),=94 м?

+

I

I

I

I

I

I

I

I

[

[

I

I

Ф

0.)	I	ё)
	l
Рис.	151.	К упражнению 32

34. Какова длина полуволнового вибратора, основная частота которого равна собственной частоте контура емкости 10-10 Ф

и ИНДУКТИIJlIOСТ\\ \0-6 Гн?

35. ИНДУКТИВНОСТЬ в колебательном контуре приемннка равна 2·\0- 5 Гн. В каких пределах должна измеияться емкость, 4тобы можно было настраиваться на волны от 35 до 45 М?

РАЗДЕЛ второй

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

г л а в а VII. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СВЕТОВЫХ ЯВЛЕНИЙ

§ 65. Разнообразные действия света. Чувствительность на­

шего зрительного аппарата к свету чрезвычайно велика.

По современным измерениям для получения светового ощу­

щения достаточно, чтобы на глаз при благоприятных обстоя­ тельствах попадало около 10-17 Дж световой энергии в се­

кунду, т. е. мощность, достаточная для ощутимого светового

раздражения, равна 10-17 Вт.

Глаз принадлежит к числу самых чувствительных аппа­ ратов, способных регистрировать присутствие света. Дей­

ствие света на глаз сводится к не которому химическому про­ llессу, возникающему в чувствительной оболочке глаза и

вызывающему раздражение зрительного нерва и СООТветст­

вующих центров головного мозга. Химическое действие

света, сходное с действиями на чувствительные элементы гла­

за, можно наблюдать при выцветании на свету различных

красок (<<выгорание тканей»). Химические превращения наб­

людаются при поглощении света сравнительно немногочис­

ленными с в е т о ч у в с т в и т е л ь н ы м и ыатериалами.

Но в большей или меньшей степени свет поглощается любым телом, что можно обнаружить по нагреванию тела.

Нагревание тел при поглощении света есть самый общий и наиболее легко осуществляемый процесс, который может

быть использован для обнаружения и измерения световой

энергии. Нагревание солнечным светом - простейший при­ мер такого процесса. В тех Южных областях, где много сол­

нечных дней (например, Средняя Азия), тепло, полученное

при поглощении солнечной энергии, может быть использова­

но для приведения в действие промышленных установок. Энергия, доставляемая солнечным светом в ЮЖIlЫХ ши­

ротах в ясныЙ день, составляет более тысячи джоулей в

секунду на каждый квадратный метр поверхности, так

что плоский железный бак, поставленный на крыше дома, может снабжать его обитателей в течение лета горячей во"

дай. Концентрируя солнечные лучи с помощью большого

зеркала 1 (рис. 152) на поверхности какого-нибудь прием-

179

ника 2, I\ЮЖНО обеспечить его нагревание до высокой тем­

пературы.
действие	света может обнаруживаться и в некоторых
э л е к т р Jl	Ч е с к и х я в л е н и я х. Как уже упошmалось

в томе 11, § 9, освещение металлической поверхности может

Рис. 152. Схема устройства тешJOВОЙ солнечной машины: 1 - зеркало,

2 - приемник

вызвать вырывание из нее электронов (фотоэффект). С по­

мощью определенных. устройств можно без труда наблю­ дать электрический ток, возникающий под действием света.

На рис. 153 прецставлена схема одного из таких устройств,

называемого фотоэлементом. Если бы можно было покрыть крышу небольшого дома ве­

ществом, используемым в та­

ком фотоэлементе, то в ясный

				солнечный день	удалось бы за
				счет световой энергии полу­
Рис. 153.	Фотоэлемент		с элек,	чать электрический ток мощ­
трической	схемой:	1 -	фотоэле­	ностью несколько КИJIоватт.
мент.	2 - гальванометр			Наконец, важно oTMeTIITb,
				что наблюдается И непосред·
ственное	м е х а н и ч е с к о е Д е й с т в и е				с в е т а. Оно
проявляется в		Д а в л. е н и и		с в е т а на поверхность тела,

отражающего или поглощающего свет. Придавая этому

телу вид легкого подвижного крылышка, удалось обнару-

180

жить поворот этого крылышка ПОД действием падающего на

него света. Этот замечательный опыт был впервые произ­ веден П. Н. Лебедевым в Москве (1900 г.). Подсчет показы­

вает, что в ясный день свет Солнца, падающий на зеркаль­

ную поверхность размером 1 м2, действует на нее с силой

всего лишь около 4 мкН.

В настоящее время разработаны новые источники коге­

рентного излучения очень высокой интенсивности - лазеры,

скоторыми при концентрации энергии на малую поверх­

ность можно получить световое давление 106 атм (см. § 205). Таким образом, свет может ПРОИЗВОДIIТЬ весьма разнообраз­ ные действия; все они свидетельствуют о наличии энергии

в световом излучении, превращение которой и обнаружи­

вается во всех описанных явлениях.

Из перечисленных примеров видно, сколь разнообраз­ ны могут быть действия света. Однако роль света как не­

посредственного источника энергии сравнительно невелика:

двигатели, основанные на нагревании под действием света,

играют очень малую роль, а двигатели, построенные на ос­

нове фотоэффекта,- еще дело будущего, хотя опыты и по­

казывают, что возможно изготовление фотоэлементов (с ис­ пользованием полупроводников германия и кремния), спо­

собных превращать до 15% падающей на них энергии света

непосредственно в энергию электрического тока (солнеч­

ные батареи).

Правда, вся энергия, которую мы используем на Земле,

практически имеет своим первоисточником световую энер­

гию или энергию излучения Солнца, но использование ее

происходит путем сложных превращений через посредство топлива, накапливающегося под действием солнечного из­

лучения в растениях и сжигаемого в тепловых машинах, а

также через посредство водяных и ветряных двигателей

и т. д. В большинстве же применений света главную роль

играет не количество приносимой им энергии, а его специ­

альные особенности. Для выяснения природы световых

явлений надо обратиться к опыту.

§ 66. Интерференция света. Цвета тонких пленок. Все,

конечно, неоднократно любовались красивыми переливами

цветов на поверхности весенних луж. Многие, вероятно,

замечали, что такие же цветные полосы обнаруживаются на

реке вблизи судов, когда на воде появляются пятна нефти или масла. Во всех этих явлениях обращает на себя внима­

ние прихотливое расположение цветных полос и особенно

их пер е л и вы, т. е. смена цветов при повороте головы

181

наблюдателя. Явление сходно с игрой цветов на мыльных

пузырях и, действительно, тождественно ему по своей фи­ зической природе. Его нетрудно воспроизвести в классе,

пустив капельку керосина или скипидара на поверхность

воды в кювете, освещенной проекционным фонарем.

Разнообразие цветов в описанных l{apTIfHax явно свя­ зано с тем обстоятельством, что мы ПРОИЗВОдИl\! наблюдеНIIе

в б е л о м свете. Поставим на пути света какое-нибудь цвет­

ное стекло, и мы убедимся, что вместо цветных полос будут

наблюдаться полосы одного цвета, большей или меньшей яркости, разделенные темными промежутками. Форма и расположение полос при этом не измеНЯЮТС61. Так, на­

пример, если мы ПРИl\Iеним зеленое стеюIO, то ПОJIOСЫ, имеп­

шие при освещении белым светом зеленый тон, останутся

практически неизменными, а красные полосы сделаются

черными. Явление станет еще более отчетливым, если в ка­ честве одноцветного (монохроматического) света восполь­

зоваться пламенем горелки, в которое введен кусочек асбе­

ста, смоченный раствором поваренной соли. Такое пламя

окрашивается в желтый цвет благодаря излучению паров

натрия, входящего в состав соли; цвет этот весьма одноро­

ден. Наблюдаемая картина в этом свете будет состоять из

ярко-желтых полос, постепенно переходящих в глубоко­

черные. Таким образом, картина состоит из чередования

светлых полос, посылающих много света в глаз наблюда­

теля (максимумы), и темных полос, от которых к наблюда­ телю совсем не идет свет (минимумы).

В описанных опытах мы имеем дело с явлениями, анало­ гичными тем, которые были описаны в §§ 44, 45 и 46 и кото­ рые ПОJlУЧИЛИ название и н т ер Ф е р е н Ц и и волн. Там

(см. § 45) указывались условия, при которых наложение

двух волн ведет к перераспределению энергии, т. е. к обра­ зованию областей максимумов и минимумов энергии. В на­

ших оптических опытах мы также обнаруживаем пер е­

р а с п р е Д е л е н и е э н е р г и и, в результате которого

вместо равномерной освещенности образуются темные области (минимумы) и области повышенной освещенности (максимумы). Другими словами, в наших опытах проявилась

способность света к интерференции, т. е. обнаружился

в о л н о в о й характер световых явлений. То обстоятель­

ство, что максимум для разных цветов приходится на раз­

личные места, показывает, что различным цветам соответ­

ствуют различные длины волн (см. § 45). Мы в дальнейшем

подробнее познакомимся с интерференционными явлени­

ями в оптике и используем их для точного определения дли-

182

ны световых волн; пока же ограничимся указанием, что дли· на эта меньше микрометра.

§ 67. Краткие сведения из истории оптики. Ответ на вопрос о природе световых волн был ПОJlучен на основании длин­ ного ряда наблюдений над особенностями световых явлен ий. При этом, как обычно бывает при развитии наших научных воззрений, представление о природе света менялось по l\lepe

того, как накапливались новые сведения и данные.

Волновые представления о природе света развивались

еще в XVII веке Х. Гюйгенсом и поддерживались на про­ тяжении XVIII века Л. Эйлером, М. В. Ломоносовым и

В. Франклином. Однако в течение всего этого периода наи­ более обоснованными оставались корпускулярные представ­

ления о свете, в соответствии с которыми свет уподоблялся

потоку быстро летящих частичек (Н. Ньютон). Лишь в на­ чале XIX века трудами О. Френеля и Т. Юнга была надежно обоснована волновая природа света (см. гл. Х III и Х IV).

При этом волны эти уподоблялись упругим волнам, сход­

ным до известной степени с волнами, обусJt:>вливающ.ми акустические явления. Однако две важные особенности от­

личают световые волны от звуковых.

Во-первых, свет распространяется через пространство,

откуда удален воздух или другая среда, тогда как звук в

вакууме распространяться не может (см. § 33). Распростра­ нение света в вакууме можно наблюдать в электрических

лампочках накаливания, из баллона которых откачан воз­

дух *). Другим доказательством способности света распро­ страняться в вакууме являются наблюдения света Солнца

и звезд, отделенных от нас огромными пространствами, со­

держащими в единице объема еще меньше вещества, чем самые совершенные вакуумные приборы.

По современным данным в межзвездном пространстве приходится

в среднем около одного атома на 1 см3, тогда как в наиболее тщательно откачанных вакуумных приборах заключено не менее 108 aTO~IOB ИЮl мо­ лекул в 1 еМЗ.

Во-вторых, отличительной особенностыо световых волн

по сравнению с волнами звуковыми является огромная ско-

*) в большннстве современных ламп накаливания баллон ПОСJIе тщательной откачкн внов!> наполняется каким-либо химически неактив­ ным газом, например азотом. Это делается, однако, JIИШЬ дЛЯ того, чтобы уменьшить распыление нити, т. е. удлинить срок службы лампы. Свет же от нити распространяется и в лампах с самой совершенной откачкой.

183