Лаб практ КСЕ часть 1 предварительный

Упражнение 1. Магдебургские полушария

Описание установки

В нашем опыте используются два небольших притертых чугунных полушария(1и2,см.рис.6),междукоторыми(длябольшейгерметичности) имеется резиновая прокладка (3). Одно из полушарий снабжено впускным патрубком с краном (7), который постоянно находится в открытом состоянии1 .Патрубоксоединенгибкойтрубкойсвоздушнымнасосом(4),который предназначен для выкачивания воздуха из внутренней части полушарий. От гибкой трубки имеется отводной патрубок (медный тройник (5)), на кон-

це которого имеется кран (6) для открывания или закрывания трубы.

Рис. 6. Общий вид установки: 1 – первое полушарие, 2 – второе полушарие, 3 – резиновая прокладка, 4 – насос, 5 – тройник, 6 – кран, который должен быть закрыт при откачивании воздуха, 7 – впускной патрубок с краном

При закрытом кране (6) внутренний объем сферы изолирован от внешней атмосферы и давление в этом объеме может быть меньше внешнего. В этом случае внешнее атмосферное давление плотно прижимает друг к другу магдебургские полушария и их невозможно оторвать друг от друга, даже если как следует потянуть за приделанные к полушариям ручки.

Приоткрытомкране(6)внутреннийобъемсферысообщаетсясатмосферой, и потому давление внутри сферы равно атмосферному. Коль скоро внутреннее давление уравновешивает внешнее, полушария легко разъединяют-

ся руками. Впрочем, их и разъединять не приходится – сами распадаются.

1Нетрогайтеэтоткран!Впрочем,онтакнеудобнорасположен,чтоегонеочень-то повернешь.

11

Рис. 8. Именно так следует класть полушария при откачивании воздуха

Упражнение 2. Воздушный колокол со звонком

Описание установки

В нашем опыте используется стеклянный колокол на пластмассовом диске. Между колоколом и диском для большей герметичности имеется резиновая прокладка (см. рис. 9). Под колоколом размещен электрический звонок, работающий от батарейки. Колокол вместе с подставкой образует герметическую систему, соединенную с внешним пространством только через воздушный кран. Патрубок крана соединен гибкой трубкой с воздушным насосом Камовского1 , который предназначен для выкачивания воздуха из-под колокола.

1Камовский – это изобретатель насоса. Этот насос гораздо лучше «велосипедного», который используется в первом упражнении и тем более – лучше насоса Отто фон Герике. Вам достанется или насос с электроприводом (он работает сам), или механический насос (см. рис. 9) – тогда Вам придется лично вертеть маховик.

13

Рис. 9. Общий вид установки. Стеклянный колокол со звонком и насос Камовского: 1 – колокол, 2 – подставка, 3 – звонок, 4 – насос Камовского, 5 –воздушный кран (в открытом положении ручка направлена вдоль крана, в закрытом – поперек)

В обычном состоянии давление воздуха под колоколом равно атмосферному и воздух имеет нормальную плотность. В этом случае звук от звонка хорошослышен(ведьзвукраспространяетсяввоздухе)иколоколлегкоприподнимается над подставкой – ведь внутри и снаружи давление одинаково.

Но если воздух из-под колокола откачан, то звук от звонка совершенно не слышен (ведь звук распространяется в воздухе, а его плотность под колоколом мала). В этом случае внешнее атмосферное давление плотно прижимает стеклянный колокол к основанию и просто так колокол не приподнимешь. Чтобы откачать воздух из-под колокола, достаточно хорошенько покрутить маховик насоса Камовского по часовой стрелке при открытом воздушном кране, когда внутренний объем колокола соединен с насосом.

Смысл опыта – убедиться (вслед за Отто фон Герике) в том, что воздух (в отличие от света) в пустоте не распространяется. Для этого следует включить звонок (заранее: потом это сделать невозможно), разместить его под колоколом и откачать воздух из-под колокола. После откачивания плотность воздуха под колоколом будет весьма мала. Поскольку звук в вакууме не распространяется, звонок будет не слышен. Если же впустить воздух внутрь колокола, плотность воздуха под колоколом возрастет и звук станет слышен.

14

Порядок выполнения работы

1.Включите звонок (см. рис. 9).

2.Разместите звенящий звонок под колоколом.

3.Наденьте воздушный шланг, идущий от насоса Камовского, на воздушный кран колокола.

4.Откройте кран патрубка (см. рис. 10).

6.Закройте воздушный кран.

7.Отсоедините воздушный шланг от воздушного крана.

8.Попробуйте чуть-чуть приподнять воздушный колокол над подставкой. Получилось или нет? Поставьте колокол на место.

9.Послушайте звонок. Звук должен отсутсвовать.

10. Откройте воздушный кран. Звук звонка станет слышен.

11.Поднимите колокол над подставкой и выключите звонок.

12.Подумайте, почему звук звонка в разреженном воздухе не был слышен. Распространяется ли звук в вакууме?

13.Потускнело ли изображение звонка в разреженном воздухе? Распространяется ли свет в вакууме?

Контрольные вопросы

1.Когда и где жил Демокрит? Кем он был?

2.Какой картины мира придерживался Демокрит – корпускулярной или континуальной?

3.Что думал о пустоте Демокрит? Почему он считал неизбежным представление об атомах?

4.Ктобылоснователематомистическойгипотезыстроениявещества?

5.Кто был предшественником Демокрита?

6.Кто развивал атомистическую гипотезу после Демокрита?

7.Когда и где жил Аристотель? Кем он был?

8.Что думал о пустоте Аристотель? Сторонником какой картины мира он был – атомистической (корпускулярной) или континуальной (полевой)?

9.КакойкартинымирапридерживалсяИсаакНьютон–корпускулярной или континуальной?

10.Какой картины мира придерживался Майкл Фарадей – корпускулярной или континуальной?

15

11.Какой картины мира придерживался Джеймс Клерк Максвелл – корпускулярной или континуальной?

12.Какая картина мира доминировала в 18 веке – континуальная или корпускулярная?

13.Какая картина мира доминировала в 19 веке – континуальная или корпускулярная?

14.Какаякартинамирадоминировалав20веке–континуальнаяили корпускулярная?

15.Какая картина мира в конце концов оказалось правильной – корпускулярная или полевая?

16.Считал ли Отто фон Герике возможной пустоту? Как он доказывал свою точку зрения?

17.Вспомните школьную физику. Что такое атмосферное давление? Откуда оно берется? Чему примерно равно атмосферное давление?

18.Как атмосферное давление зависит от высоты точки наблюдения над уровнем моря?

19.Распространяется ли звук в пустоте? Как это доказать экспериментально?

20.Распространяется ли свет в пустоте? Как это доказать экспериментально?

16

Лабораторная работа № 2 Трубка Ньютона

Введение

Вопрос о скорости движения свободно падающего тела имеет очень давнюю историю. Одним из первых ученых, изучавших его на научной основе, был еще великий древнегреческий философ Аристотель (см. рис. 1). Он внимательно посмотрел вокруг себя, подумал1 и понял, что все вещи имеют свое естественное место и в этом естественном месте (и только в нем) способны пребывать неограниченно долго без чьего-либо постороннего вмешательства. Так, например, в подлунном мире (буквально, то есть на земле и немного выше земли, но ниже Луны) естественным местомвсехвещейявляетсяименнолежаниеназемле,аестественнымсосто- янием–покой.Поэтомувсекамнимирнолежатназемле,покаихкто-нибудь их не поднимет. А если их кто-нибудь поднимет, то они находятся над землей только до тех пор, пока их не отпустят. А как только отпустят, так они быстренько летят назад на землю – на свое естественное место.

Насколько быстро летят вниз разные предметы? Тоже «легко понять». Ведь все видели, как быстро летит вниз тяжелый камень – гораздо быстрее легкогоперышка.Ивообщевсе,ктодержалврукахтяжелыеилегкиепредметы, прекрасно знают, что тяжелый камень тянется к земле гораздо силь- неелегкогокамешка,алегкийкамешек–гораздосильнееперышка.Значит, и вниз тяжелый булыжник полетит гораздо быстрее, чем перышко. Так Аристотель постановил, записал и отправился исследовать другие вопросы, которых ему с избытком хватило до конца жизни.

Так и думали все ученые еще очень-очень долго. Потому что Аристотельдействительнобылвеликимученымидействительнооченьчастооказывался совершенно прав. Да и Церковь (римско-католическая) его учение в конце концов «ассимилировала», приняла и защищала «как свое». Мы, конечно, так уже не думаем. И не потому, что умнее Аристотеля2 . Просто больше знаем. Ошибка Аристотеля заключается в том, что он не по- нималдвухвещей–принципаинерцииивлияниясилысопротивлениясреды. Ясно, что большой булыжник притягивается к Земле сильнее, чем маленький – но ведь и инерционность у него больше. Так что (если не учитывать силу сопротивления воздуха) получается «так на так» – в десять раз больше сила притяжения, и во столько же раз больше инерционность (инертная

1 Аристотель был рационалистом в первоначальном смысле этого слова. Он верил, что если хорошенько подумать, то все можно понять правильно. И это в его время было великим достижением. А вот эксперимент Стагирит (его и так называли, потому что родился он в Стагире) недооценивал. В основном, ограничивался случайными наблюдениями.

2 Я лично уверен, что Аристотель был гораздо умнее любого из нас.

17

масса). Если же учесть силу сопротивления воздуха, то следует иметь в виду, что она зависит от размеров и плотности тела, а потому для пушинки играет гораздо большую роль, чем для пушечного ядра. Поэтому пушинку эта сила сопротивления тормозит гораздо сильнее, чем пушечное ядро и потому, в конечном итоге, (в воздухе) пушечное ядро летит вниз гораздо быстрее пушинки.

Рис. 10. Галилео Галилей

Первым засомневался в правильности рассуждений Аристотеля великий итальянский ученый Галилео Галилей1 (см. рис. 10).

Он был основоположником экспериментального метода в естествознании и (в отличие от Аристотеля) сознательно экспериментировал. Кроме того, в рациональном методе познания (то есть в умелом думании) был «подкован» не хуже Аристотеля. Он придумал следующий мысленный эксперимент. Пусть у нас есть два пушечных ядра. Пусть каждое из них летит вниз с одинаковой скоростью v. Если соединить их цепью, то «объединенный предмет» станет в два раза тяжелее и (по Аристотелю) должен бы лететь вниз в два раза быстрее. Но тогда возникает вопрос – с чего это каждое отдельное пушечное ядро полетит вниз быстрее, если его не тянут зацепочку?Значит,тянут.Тогдасамыйстрашныйвопрос–какоеядрокакое тянет?Онижеодинаковые.Значит,врассужденияхАристотелячто-тонетак. И Галилей решил обратиться к высшему судье – опыту.

1 Галилей Галилео (1564-1642) – итальянский ученый, один из основателей точного естествознания. Боролся против схоластики, считал основой познания опыт. Заложил основы современной механики: выдвинул идею об относительности движения, установил законы инерции, свободного падения и движения тел по наклонной плоскости, сложения движений; открыл изохронность колебаний маятника; первым исследовал прочность балок. Построил телескоп с 32-крат- ным увеличением и открыл горы на Луне, 4 спутника Юпитера, фазы у Венеры, пятна на Солнце. Активно защищал гелиоцентрическую систему мира, за что был подвергнут суду инквизиции (1633), вынудившей его отречься от учения Н. Коперника. До конца жизни Галилей считался «узником инквизиции» и принужден был жить на своей вилле Арчетри близ Флоренции. В 1992 году (всего через 359 лет после осуждения!!!) папа Иоанн Павел II объявил решение суда инквизиции ошибочным и реабилитировал Галилея. В чем-в чем, а уж в недостойной и неприличной поспешности папскую курию обвинить явно невозможно.

18

Рис. 11. Пизанская башня

Он забрался на Пизанскую башню (см. рис. 11) и сбросил оттуда не перо

икамень (что такое сила сопротивления воздуха, он уже понимал), а ядро

имушкетную пулю. Конечно, мушкетная пуля гораздо легче ядра, но сила сопротивления воздуха для них обоих (при падении с Пизанской башни) пренебрежимо мала. И оба предмета упали практически одновременно.

Так был осуществлен один из самых красивых экспериментов в истории.Иодинизсамыхглубоких.Ведьмытеперьпонимаем(вотличиеотсамого Галилея), что одновременность падения разных предметов напрямую связана с равенством гравитационной массы (которую притягивает Земля)

иинертной массы (которая сопротивляется разгону тела). Если бы инертная масса тел не совпадала с их гравитационной массой, то разные тела падали бы с разным ускорением и, разумеется, с разной скоростью.

Так что на самом деле Галилей, сам того не зная, добросовестно проверял принцип эквивалентности инертной и гравитационной массы1 (или, если угодно, принцип эквивалентности сил тяготения и инерции) – одно из основных положений общей теории относительности, которую часто называют также теорией гравитации Эйнштейна 2 (см. рис. 12).

1Принцип эквивалентности утверждает, что инертная и гравитационная масса любого тела совпадают, или (что то же самое), что силу тяжести невозможно отличить от силы инерции по ее проявлениям.

2Эйнштейн (Einstein) Альберт (1879-1955) – физик-теоретик, один из основателей современной физики, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и иностранный почетный член АН СССР (1926). Родился в Германии, с 1893 жил вШвейцарии,с1914вГермании,в1933эмигрировалвСША.Создалчастную(1905) иобщую(1907-16)теорииотносительности.Авторосновополагающихтрудов по квантовой теории света: ввел понятие фотона (1905), установил законы фотоэффекта,основнойзаконфотохимии(законЭйнштейна),предсказал(1917) индуцированное излучение. Развил статистическую теорию броуновского движения,заложивосновытеориифлуктуаций,создалквантовуюстатистикуБозе– Эйнштейна.С1933работалнадпроблемамикосмологиииединойтеорииполя.В30-е гг.выступалпротивфашизма,войны,в40-е–противпримененияядерногооружия. В 1940 подписал письмо президенту США об опасности создания ядерного оружия в Германии, которое стимулировало американские ядерные исследования. В 1921 году получил Нобелевскую премию за труды по теоретической физике, особенно за открытие законов фотоэффекта.

19

Рис. 12. Альберт Эйнштейн

Конечно, сам Галилей не понимал, что проверял. Первым осознал удивительность эксперимента Галилея другой титан мысли – сэр Исаак Ньютон1. Он удивился2 и проверил равенство инертной и гравитационной массы еще раз – по независимости периода качания маятников от материала, из которого они изготовлены. Результат оказался положительным.

Рис. 13. Исаак Ньютон

1Ньютон (Newton) Исаак (4 января 1643, Вулсторп, близ Грантема, графство Лин- кольншир,Англия–31марта1727,Лондон;похороненвВестминстерскомаббатстве)

– один из основоположников современной физики, сформулировал основные законы механики и был фактическим создателем единой физической программы описания всех физических явлений на базе механики; открыл закон всемирного тяготения, объяснил движение планет вокруг Солнца, Луны вокруг Земли, а также приливы в океанах; заложил основы механики сплошных сред, акустики и физической оптики.

2Чтобы удивиться, надо быть достаточно образованным и умным. В Африке одна этнографическая экспедиция продемонстрировала один и тот же радиоприемник двум жившим по соседству диким племенам – банту (уровень бронзового века) и пигмеям (уровень каменного века). Банту ужасно удивились и заинтересовались. Они чуть не разломали приемник, чтобы добраться до маленьких человечков, которые там внутри поют и, вероятно, даже пляшут. А вот пигмеи, как ни странно, не удивились совсем. Они убедились, что приемник во-первых, не кусается (значит

– не опасен) и, во-вторых, не съедобен (значит, не полезен). После чего утратили к нему всякий интерес. Чудес в их жизни и так было достаточно – для них все кругом было чудом. Так что чудом больше, чудом меньше – им было без разницы.

20