Лабораторный практикум часть 1(Физика)

-21-

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.Сравните скорости падения перышка и кусочка металла в воздухе. 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 в насос следующий студент.

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?

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?

-22-

20.Кто создал общую теорию относительности?

21.Сформулируйте принцип эквивалентности. Кто его первым сформулировал? 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»?

-23-

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 и янтарь, и шерсть (прежде электронейтральные) оказываются электрически заряженными зарядами противоположного знака (янтарь – отрицательно, 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

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. 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) круг делится диаметром пополам; 2) в равнобедренном треугольнике углы при основании равны; 3) при пересечении двух прямых образуемые ими вертикальные углы равны; 4) два треугольника равны, если два угла и сторона одного из них равны двум углам и соответствующей стороне

-25-

Рисунок 16. Уильям Гильберт, впервые предложивший термин "электризация"

Рисунок 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 Бенджамин Франклин3 (см. рис. 17) назвал один вид электрического заряда положительным, а другой – отрицательным.

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.

2Дюфе Шарль Франсуа (1698-1739) - французский физик. Открыл (1733-1734) существование 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-просветитель, участник Войны за независимость, один из авторов Декларации независимости США (1776) и Конституции США (1787). Одновременно - главное украшение современной стодолларовой купюры США.

-26-

Дальше развитие теории электричества и теории магнетизма (именно так – по отдельности) пошло гораздо быстрее. Так, уже в 1785 году Шарль Огюстен Кулон1 (см. рис. 18) открыл закон Кулона для взаимодействия точечных электрических зарядов (и еще один – точно такой же «закон обратных квадратов» - для взаимодействия точечных магнитных зарядов, в роли которых выступали острые концы намагниченных спиц2). 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. Никто не мог похвастаться тем, что ему удалось с помощью магнетизма получить электричество или с помощью электричества – магнетизм. Первым «получил магнетизм из электричества» Х. Х. Эрстед3 (см. рис. 19) в 1820 году, а «электричество из магнетизма» - Майкл Фарадей4 (см. рис. 20) в 1831 году.

Рисунок 18. Шарль Огюстен Кулон - открыватель двух законов Кулона

1Кулон (Coulomb) Шарль Огюстен (1736-1806) - французский инженер и физик, один из основателей электростатики. Исследовал деформацию кручения нитей, установил ее законы. Изобрел (1784) крутильные весы и открыл (1785) закон, названные его именем. Установил закон сухого трения (который, кстати, тоже называется законом Кулона).

2Мы 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.

3Эрстед Ханс Кристиан (1777-1851) - датский физик, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Труды по электричеству, акустике, молекулярной физике. Открыл (1820) магнитное действие электрического тока.

4Фарадей Майкл (1791-1867) - английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Обнаружил химическое действие электрического тока, взаимосвязь между электричеством 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-

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. Этот вывод Максвелл сделал в 1864 году, когда выяснилось, что следствием 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.

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.

-29-

Рисунок 21. Джеймс Клерк Максвелл - объединитель оптики и электромагнетизма

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 С. Вайнберга, Ш. Глэшоу и А. Салама. Смысл ее состоит в том, что считавшиеся дотоле независимыми электромагнитное и слабое взаимодействие на самом деле являются просто разными проявлениями единого – электрослабого взаимодействия.

Вы ведь знаете, что в природе существует всего 4 типа фундаментальных взаимодействий – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое? Так это, строго говоря, теперь уже неверно. После открытия Вайнберга, Глэшоу и Салама фундаментальных взаимодействий в природе всего три – гравитационное, электрослабое и сильное.

Пятым «великим объединением» можно считать ожидающееся в ближайшие 10-20 лет создание единой теории электрослабого и сильного взаимодействия. Контуры этой теории уже наметились, и существует мнение о том, что ее создание неизбежно в ближайшем будущем. Эта теория объединит воедино электрослабое и сильное взаимодействие. Как будет называться это объединенное взаимодействие, пока неизвестно. Но после создания этой теории в природе останется только два фундаментальных взаимодействия – гравитационное и еще одно (объединенное электрослабосильное взаимодействие).

Шестым «великим объединение», может быть, будет являться создание объединенной теории гравитации и всех остальных взаимодействий. Это «великое объединение» пока что только мыслится «в далекой исторической перспективе». Но название для соответствующей теории уже есть – это теория суперсимметрии. Пока что существует по меньшей мере несколько теорий суперсимметрии, каждая из которых не в состоянии «свести концы с концами», то есть объяснить наблюдаемые свойства всех четырех фундаментальных взаимодействий без логических противоречий и противоречий с экспериментом.

Чтобы Вы не запутались, все эти «великие объединения» сведены в приведенную ниже таблицу: