Лабораторный практикум часть 1(Физика)

-12-

Рисунок 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 хорошо слышен (ведь звук распространяется в воздухе) и колокол легко приподнимается над подставкой – ведь внутри и снаружи давление одинаково.

Но если воздух из-под колокола откачан, то звук от звонка практически 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 слышен еле-еле. Если же впустить воздух внутрь колокола, плотность воздуха под колоколом возрастет и звук станет гораздо сильнее.

-13-

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).

5.Откачайте воздух из-под колокола. Для этого покрутите по часовой стрелке ручку насоса Камовского. Ста оборотов будет вполне достаточно.

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 быть очень слабый.

10.Откройте воздушный кран. Звук звонка станет существенно сильнее. 11.Поднимите колокол над подставкой и выключите звонок. 12.Подумайте, почему звук звонка в разреженном воздухе был такой

слабый. 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.Кто был основателем атомистической гипотезы строения вещества?

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.Какой картины мира придерживался Исаак Ньютон – корпускулярной

или континуальной?

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

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

-14-

корпускулярная?

14.Какая картина мира доминировала в 20 веке – континуальная или 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?

-15-

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 Аристотель1 (см. рис. 1). Он внимательно посмотрел вокруг себя, подумал2 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 местом всех вещей является именно лежание на земле, а естественным состоянием - покой. Поэтому все камни мирно лежат на земле, пока их кто-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 легкого перышка. И вообще все, кто держал в руках тяжелые и легкие предметы, прекрасно знают, что тяжелый камень тянется к земле гораздо сильнее легкого камешка, а легкий камешек – гораздо сильнее перышка. 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 Аристотель действительно был великим ученым и действительно очень часто оказывался совершенно прав. Да и Церковь (римско-католическая) его учение в конце концов «ассимилировала», приняла и защищала «как свое». Мы с вами, конечно, так уже не думаем. И не потому, что умнее Аристотеля3. Просто больше знаем. Ошибка Аристотеля заключается в том, что он не понимал двух вещей – принципа инерции и влияния силы сопротивления среды. 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 масса). Если же учесть силу сопротивления воздуха, то следует иметь в виду, что она зависит от размеров и плотности тела, а потому для

1Родился 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.

2Аристотель 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.

3Я лично уверен, что Аристотель был гораздо умнее любого из нас.

-16-

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.

Рисунок 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 за цепочку? Значит, тянут. Тогда самый страшный вопрос – какое ядро какое тянет? Они же одинаковые. Значит, в рассуждениях Аристотеля что-то не так. И Галилей решил обратиться к высшему судье – опыту.

Он забрался на Пизанскую башню (см. рис. 11) и сбросил оттуда - не перо и камень (что такое сила сопротивления воздуха, он уже понимал), а ядро и

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-кратным 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.

-17-

мушкетную 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.

Рисунок 11. Пизанская башня

Так был осуществлен один из самых красивых экспериментов в истории. И один из самых глубоких. Ведь мы теперь понимаем (в отличие от самого Галилея), что одновременность падения разных предметов напрямую связана с равенством гравитационной массы (которую притягивает Земля) и инертной 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 Эйнштейна2 (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 в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в США. Создал частную (1905) и общую (1907-16) теории относительности. Автор основополагающих трудов по квантовой теории света: ввел понятие фотона (1905), установил законы фотоэффекта, основной закон фотохимии (закон Эйнштейна), предсказал (1917) индуцированное излучение. Развил статистическую теорию броуновского движения, заложив основы теории флуктуаций, создал квантовую статистику Бозе — Эйнштейна. С 1933 работал над проблемами космологии и единой теории поля. В 30-е гг. выступал против фашизма, войны, в 40-е — против применения ядерного оружия. 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.

-18-

Рисунок 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.

Рисунок 13. Исаак Ньютон

Тот же Исаак Ньютон закрыл и «последнюю брешь» в эксперименте

1 Ньютон (Newton) Исаак (4 января 1643, Вулсторп, близ Грантема, графство Линкольншир, Англия — 31 марта 1727, Лондон; похоронен в Вестминстерском аббатстве) - 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.

2 Чтобы 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.

-19-

Галилея – провел прямое сравнение скорости падения именно птичьего пера и кусочка металла при отсутствии силы сопротивления воздуха1. 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 было2. А у Ньютона – уже был. Он откачал воздух из длинной толстостенной стеклянной трубки и проследил за падением в этой трубке птичьего пера и кусочка металла. Как и следовало ожидать, перо в вакууме падало так же быстро, как и металл.

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 из внутренней части трубки. Чтобы выкачать воздух из стеклянной трубки, 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.

Рисунок 14. Трубка Ньютона (1), впускной патрубок с краном (2), насос Камовского (3), резиновая трубка для откачивания воздуха (4), перышко (5), металлическая

1 Сохранились 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.

2 Кстати, первым вакуум получил именно его ученик Торричелли.

-20-

пластинка (6), маховик, который надо вращать для откачивания воздуха (7)

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).

Рисунок 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.Закройте впускной кран (2) трубки Ньютона (1). Теперь в трубке 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 с насосом и ее можно без проблем вытаскивать из пенопластового футляра и переворачивать. Но вам делать это категорически запрещено по

соображениям безопасности. Вам можно только смотреть, как это делает лаборант.