Лабораторный практикум часть 1(Физика)
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Самарский государственный архитектурно-строительный университет»
Н.С.Бухман, Л.М.Бухман
Лабораторный практикум по курсу
"Концепции современного естествознания"
(физическая часть)
(учебное пособие для лабораторных занятий и самостоятельной работы студентов)
Самара 2011
-2-
УДК 50 ББК 20
Бухман Л.М., Бухман Н.С.
Лабораторный практикум по курсу "Концепции современного естествознания". Физическая часть / Самарск. гос. арх.-строит. ун-т. - Самара,
2011. - 101 с.
Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной формы обучения специальностей 080200.62 «Менеджмент» и 080100.62 «Экономика».
Данное учебное пособие включает в себя описание 7 лабораторных работ: «Магдебургские полушария и воздушный колокол», «Трубка Ньютона», «Магнетизм, рамка Эрстеда и великие объединения», «Геометрическая оптика. Телескоп», « Поляризация света. Спин микрочастицы», «Интерференция. Кольца Ньютона» и « Дифракция. Дифракционная решетка».
Каждое описание снабжено подробным и хорошо иллюстрированным историческим и теоретическим введением и может использоваться как непосредственно в лабораторном практикуме, так и в самостоятельной работе студентов.
Учебное пособие предназначено для использования при подготовке студентов к выполнению лабораторных работ по курсу «Концепции современного естествознания», при выполнении этих лабораторных работ, а также в самостоятельной работе студентов.
Рецензент:
Доцент каф. физики СГАСУ Пашин А.В.
Самарский государственный архитектурно-строительный университет. 443001 Самара, ул. Молодогвардейская, 194.
Самарский государственный архитектурностроительный университет, 2011
-3-
Предисловие
«Концепции современного естествознания» - относительно новый курс, который читается на гуманитарных и некоторых экономических специальностях вузов. Практически этот курс «замещает» историю естественных наук, астрономию, физику, химию, биологию, геологию, экологию и дюжину других естественнонаучных дисциплин на многих гуманитарных специальностях («Менеджмент», «Экономика», «Искусствоведение» и т.д.). Вместе с тем ни в коем случае не следует считать его просто «коктейлем» из упомянутых дисциплин. Напротив, основная цель этого курса – дать будущим специалистам краткую, реалистичную и одновременно цельную естественнонаучную картину мира. При этом нельзя ни делать этот курс непосильным для гуманитариев, ни снижать научный уровень изложения до уровня развлекательных телепередач.
Поэтому обязательным условием успешного усвоения программы курса «Концепции современного естествознания» является наличие серьезного лабораторного практикума по этой дисциплине.
Поскольку физика является основой современной научной картины мира, естественным является преподавание курса «КСЕ» на кафедре физики и использование в качестве лабораторного практикума по курсу «КСЕ» физического лабораторного практикума, уже имеющегося на этой кафедре. Речь идет, разумеется, не обо всех лабораторных работах физического практикума, а лишь о некоторых – наиболее простых и наглядных, имеющих принципиальное или историческое значение лабораторных работах, снабженных подробными описаниями. По существу речь идет о принципиально новых (по сравнению с «физическими») лабораторных работах, которые выполняются в тех же самых лабораториях и на тех же самых установках. Эта часть лабораторного практикума по «КСЕ» (часть физическая) и представлена в данном пособии.
Разумеется, курс «Концепции современного естествознания» не сводится к курсу «физика для гуманитариев» - он гораздо шире и включает в себя также принципиальные моменты биологии и наук о Земле. Речь идет о цитологии, генетике, биологической и геологической эволюции, (палеонтологии и минералогии). Ясно, что эта часть курса также нуждается в соответствующем обеспечении лабораторным практикумом. Эта часть лабораторного практикума по «КСЕ» создана на кафедре физики СГАСУ и описана в ранее изданной книге Л.М.Бухман, Н.С.Бухман «Концепции современного естествознания: лабораторный практикум» (Самара:СГАСУ, 2011 – 252 с.).
Принятая на кафедре физики СГАСУ система выполнения лабораторных работ, когда имеет место чередование занятий («изучение теоретической части работы + собеседование с преподавателем» - «выполнение лабораторной работы + ее сдача») позволяет студенту тщательно изучить теоретическую часть работы перед ее выполнением, что делает выполнение лабораторной работы осознанным и полезным. Поэтому каждая лабораторная работа снабжена подробным, развернутым и богато иллюстрированным теоретическим введением, обязательно содержащим историческую часть, а также обширным списком вопросов для самоконтроля. Это позволяет избежать отсылки студентов к изучению специальной литературы – по большей части для них просто недоступной по
-4-
уровню изложения.
Такой подход позволяет наполнить конкретным содержанием понятие «самостоятельная работа студентов», на которую, как известно, ГОСом отводится примерно половина учебного времени. Ритмичный характер лабораторного практикума позволяет преподавателю практически непрерывно (раз в 2 недели) контролировать добросовестность и успешность самостоятельной работы студентов и при необходимости своевременно корректировать ее интенсивность. Студенты же после «растянутой» на весь семестр сдачи теоретической части лабораторного практикума «автоматически» оказываются изучившими значительную часть теоретического курса «КСЕ» под «практическим» углом зрения, что существенно облегчает их жизнь во время сессии.
При написании пособия использовалась информация из Большой советской энциклопедии (3-е изд., М., 1969-1978), Большой энциклопедии Кирилла и Мефодия (2006) и Энциклопедического словаря Брокгауза и Эфрона (СПБ, 18901907).
-5-
Лабораторная работа № 1
Магдебургские полушария и воздушный колокол
Введение
История борьбы корпускулярных и континуальных представлений о природе вещества уходит своими корнями вглубь тысячелетий. Первые дискуссии на эту тему вели, вероятно, еще древнегреческие философы1. Так, например, великий древнегреческий философ Аристотель2 (и великое множество его последователей) считали, что пустоты нет. Потому что она немыслима. А есть только бесконечно делимое (то есть непрерывное) вещество – в чем и состоит смысл континуального (полевого) подхода к теории строения материи.
Рисунок 1. Аристотель. Каноническое изображение3.
Рисунок 2. Демокрит. Каноническое изображение.
А не менее великий древнегреческий философ Демокрит4 (а также его
1То есть они-то точно вели эти дискуссии. «Вероятно» относится к тому, не вел ли эти дискуссии кто-нибудь еще до них. Скажем, халдейские маги. Или жрецы Древнего Египта.
2Родился в 384 до н. э. в Стагире на полуострове Халкидика в Северной Греции, умер в 322 до н. э. в Халкисе, на острове Эвбея, в Средней Греции. Великий древнегреческий ученый, философ, основатель Ликея, учитель Александра Македонского.
3Настоящего портрета почти ни у кого из древних знаменитостей нет. Просто не рисовали портретов в то время. Вместо них гораздо позже сфабриковали «канонические изображения» «благородных мужей», вряд ли имеющие отношение к их реальному облику.
4Родился около 460 до н.э. в Абдерах, во Фракии, умер около 360 до н.э.. Великий
-6-
предшественник Левкипп и последователи Эпикур и Тит Лукреций Кар) считали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты. Потому что представить себе возможность движения без пустоты невозможно. По их мнению, в нашем мире нет ничего, кроме атомов и пустоты – в чем и состоит смысл корпускулярного подхода к теории строения материи.
Мы теперь знаем, что правее был все-таки Демокрит – ведь вещество действительно состоит из атомов. Можно считать, что Демокрит предвосхитил корпускулярную картину мира. Поэтому в его последователи можно зачислить не только Эпикура и Тита Лукреция Кара, но даже и сэра Исаака Ньютона собственной персоной. Правда, сэр Исаак гипотез не измышлял (как он сам неоднократно и весьма категорически заявлял), но на деле очень умело пользовался понятием пустоты и корпускул в духе Демокрита.
Не следует слишком строго судить и Аристотеля – ведь при желании всегда можно считать, что он предвосхитил более прогрессивную, чем корпускулярная, полевую (континуальную) картину мира. Поэтому его последователями можно считать не только средневековых схоластов, но даже и таких титанов мысли, как Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла.
А если вспомнить про еще более прогрессивный и вполне современный корпускулярно-волновой дуализм, то станет ясно, что правы были оба.
Рисунок 3. Отто фон Герике
Тем не менее, споры о возможности или невозможности пустоты
древнегреческий философ, основоположник атомистического учения.
-7-
продолжались очень долго – ведь от ответа на вопрос о возможности или невозможности пустоты зависит ответ на фундаментальный вопрос о дискретном (корпускулярном) или непрерывном (континуальном) строении всего нашего мира. Свою лепту в доказательство возможности пустоты внес и известный немецкий естествоиспытатель, политик и дипломат Отто фон Герике (Guericke).
Он родился в 1602 году в городе Магдебурге (бургомистром коего был с 1646 года), а умер в 1686 году в Гамбурге. Герике прожил долгую и очень нескучную жизнь, потому что в те времена в Германии постоянно происходило то, что по современной терминологии называется «локальный конфликт». Достаточно уже того, что он пережил осаду и взятие неприятелем родного Магдебурга с последующим его разграблением и взятием самого Герике (по современной терминологии) в заложники (с освобождением за немалый выкуп). Тем не менее, Герике находил время и для занятий физикой, причем весьма успешных.
Стремясь доказать существование вакуума, Герике в 1650 году изобрёл воздушный насос (см. рис. 4). В ряде опытов он доказал существование давления воздуха (опыт с «магдебургскими полушариями», см. рис. 5), установил его упругость, весомость, способность поддерживать горение, проводить звук, наличие в воздухе паров воды. Герике впервые (в 1660 году) построил водяной барометр и использовал его для предсказания погоды.
Рисунок 4. Воздушный насос Отто фон Герике
Наиболее известен опыт Герике с так называемыми «магдебургскими
-8-
полушариями»1. В эксперименте использовались два медных полушария около 14 дюймов (35,5 см) в диаметре, полые внутри и прижатые друг к другу. Из собранной сферы выкачивался воздух, и полушария удерживались в прижатом друг к другу состоянии давлением внешней атмосферы.
В 1654 в Регенсбурге фон Герике продемонстрировал эксперимент рейхстагу в присутствии императора Фердинанда III. После выкачивания из сферы воздуха 16 лошадей (по 8 с каждой стороны2) не смогли разорвать полушария. В 1656 Герике повторял эксперимент в Магдебурге, а 1663 в Берлине с 24 лошадьми. Оригинальные полушария хранятся в Немецком музее в Мюнхене.
Рисунок 5. Рисунок Гаспара Шотта "Магдебургские полушария"
Именно этот исторический эксперимент Вам и предстоит провести (упражнение 1). Вы можете (с полным основанием) считать, что экспериментально проверяете правомерность атомистической гипотезы строения
1 Магдебургские полушария - две плотно прижатые друг к другу металлические полусферы, которые трудно разъединить, если из пространства между ними откачан воздух. Магдебургские полушария сделаны в г. Магдебург (отсюда название) в 1654 Отто фон Герике, который при их помощи наглядно продемонстрировал существование атмосферного давления.
2 Вообще-то вместо половины этих лошадей можно было бы использовать просто крепкий столб или стенку, к которой можно было бы привязать одно из полушарий. Вряд ли Герике этого не понимал. Вероятно, он просто хотел добиться наиболее эффектного «шоу», в чем и преуспел.
-9-
вещества и опровергаете самого Аристотеля – ведь он же считал пустоту невозможной. Кроме того, Вам придется воспроизвести опыт Герике с воздушным колоколом (упражнение 2) и убедиться, что звук, в отличие от света, в вакууме не распространяется.
Упражнение 1. Магдебургские полушария
Описание установки
В нашем опыте используются два небольших притертых чугунных полушария (1 и 2, см. рис. 6), между которыми (для большей герметичности) имеется резиновая прокладка (3). Одно из полушарий снабжено впускным патрубком с краном (7), который постоянно находится в открытом состоянии1). Патрубок соединен гибкой трубкой с воздушным насосом (4), который предназначен для выкачивания воздуха из внутренней части полушарий. От гибкой трубки имеется отводной патрубок (медный тройник (5)), на конце которого имеется кран (6) для открывания или закрывания трубы.
Рисунок 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
1 Не трогайте этот кран! Впрочем, он так неудобно расположен, что его не очень-то повернешь.
-10-
следует потянуть за приделанные к полушариям ручки.
При открытом кране (6) внутренний объем сферы сообщается с атмосферой и потому давление внутри сферы равно атмосферному. Коль скоро внутреннее давление уравновешивает внешнее, полушария легко разъединяются руками. Впрочем, их и разъединять не приходится – сами распадаются.
Порядок выполнения работы
Рисунок 7. Кран патрубка закрыт (слева) или открыт (справа)
1. Закройте кран патрубка (см. рис. 7).
2. Плотно приставьте друг к другу полушария, аккуратно вложив в пазы резиновую прокладку (см. рис. 8).
3. Откачайте воздух из внутреннего пространства полушарий (50 полных качаний вполне хватит).
4. Шестнадцати лошадей у нас нет. Поэтому сами потяните за приделанные к полушариям ручки1. Убедитесь, что разорвать полушария не удается.
1 Осторожно! Если Вы плохо откачали воздух или очень хорошо накачались сами (в спортзале), то полушария можно будет разорвать. Звук при этом – как при открывании бутылки шампанского. Поэтому разделяйте полушария так, чтобы в случае разъединения не стукнуть ими кого-нибудь или что-нибудь. Не следует также ронять полушария ни себе на ногу (больно будет!), ни на пол (могут расколоться).
Кстати, на повреждение полушарий в случае их разъединения еще сам Герике жаловался. Правда, его полушария были не из колкого чугуна, как у нас, а из мягкой меди. Поэтому они не раскалывались, а деформировались.