Текст книги "Физика"

Что необходимо делать для исследования движения

Наблюдать и экспериментировать!

Ранее мы уже говорили, что в далеком прошлом движение практически не исследовали. Античные философы только наблюдали его и высказывали определенные мысли относительно особенностей этого явления.

Когда спустя много сотен лет за дело взялся выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей, физика из «умозрительной» постепенно превратилась в действительно экспериментальную науку.

Кстати, в своих «Беседах и математических доказательствах, касающихся двух новых отраслей науки – механики и местного движения» в 1638 г. Галилей писал: «Во-первых, я сомневаюсь, чтобы Аристотель видел на опыте справедливость того, что два камня, один из которых в десять раз тяжелее другого, начавшие одновременно падать с высоты, допустим, сотни локтей, двигались с такими разными скоростями, что когда более тяжелый дошел до земли, более легкий прошел всего 10 локтей…»

Когда сам Галилей захотел определить характер движения тела, падающего с определенной высоты, он бросал камень со знаменитой Пизанской башни, измеряя время по ударам собственного пульса (тогда удобных для этого опыта часов еще не было).

Пизанская башня

А когда Галилей пытался найти закономерности движения тела, скатывающегося с наклонной поверхности, он изготовил специальный желоб-«линейку», отполировал его, а затем пустил по нему бронзовый шарик.

Снова предоставим слово самому Галилею: «…Сравнивая время прохождения всей линейки со временем прохождения ее половины, двух третей, трех четвертей или других ее частей и повторяя опыты сотни раз, мы постоянно обнаруживали, что отношение пройденных Водяной указатель времени путей равно отношению квадратов времени их прохождения при любых наклонах плоскости, то есть канала, вдоль которого скатывался шарик…

Что касается способа измерения времени, то мы использовали большое ведро, которое было заполнено водой и подвешено сверху; дно ведра имело узкий канал, через который вода выливалась тонкой струей и собиралась в маленьком бокале в течение времени, пока шарик спускался по всему каналу или его части; собранное таким образом количество воды каждый раз взвешивалось с помощью самых точных весов…»

Итак, Галилей проводил тщательно продуманный физический эксперимент, на основании которого приходил к определенным выводам относительно особенностей движения тела.

Таким образом, важным этапом любого физического исследования, кроме наблюдения, должен быть и специальный опыт, эксперимент. Причем в таком специальном научном эксперименте часто удобнее применять не сам реальный объект, а его модель – упрощенный заменитель реального тела.

Сейчас у нас есть больше, чем у Галилея, возможностей и для измерения времени, и вообще для наблюдения движения. Можно, например, фотографировать объект в разные моменты времени при наблюдении его движения. Этим часто пользуются астрономы, которым приходится следить за различными космическими объектами – звездами, планетами, кометами, галактиками.

Можно снять движущееся тело на кинопленку. А еще интересно наблюдать за движущимся телом в стробоскопическом освещении.

Представьте себе, что вы находитесь в темном помещении. Если, например, где-то по столу будет катиться шарик, то в темноте вы его не увидите. Но если в помещении через маленькие интервалы времени будет загораться яркая лампочка, то шарик в эти моменты будет становиться видимым. (Это специальное устройство, которое управляет вспышками лампочки, называют стробоскопом.) Освещая таким способом различные движения различных тел, получаем интересную информацию о характере движений. Такое исследование можно сделать еще более удобным, если не просто наблюдать за телом, но и фотографировать его в стробоскопическом освещении.

На этой фотографии виден шарик, падающий вертикально. Надеемся, вы заметили, что через равные промежутки времени шарик проходит все большие и бо́льшие расстояния? Попробуйте подумать над этим и определить, какую еще информацию можно получить, анализируя эту фотографию.

Измерять!

При исследовании движения нужно найти способы сравнения различных движений, ведь недостаточно будет, например, просто сказать: этот автомобиль движется быстрее, чем другой. Необходимо выяснить, чем именно отличаются движения, как можно предвидеть дальнейшее движение любого тела, и так далее.

Для того чтобы это сделать, нужно использовать язык физических величин: путь, время, скорость.

В давние времена ученые пытались описывать явления обычным обыденным языком. Но потом оказалось, что обычные разговоры о телах и явлениях ни к чему не приводят: каждый подразумевает что-то свое, и понять, о чем именно идет речь, очень трудно. Кроме того, со временем выяснилось, что нужно количественно сравнивать определенные свойства изучаемых объектов. Так в физике появились физические величины.

Каждая из физических величин характеризует определенное свойство объекта или явления, при этом ее можно измерять, выражая с помощью определенных единиц.

Стробоскопическая фотография падающего шарика

Например, физическая величина время характеризует длительность событий. Время измеряют с помощью различных часов, а выражают чаще всего в секундах, минутах, часах, месяцах, годах. Мы говорим: продолжительность школьного урока – 45 минут (или 3/4 часа, или 2700 секунд).

Измеряй все, что доступно измерению, и делай недоступное измерению доступным.

Галилей

Когда тело движется, оно все время перемещается из одного места пространства в другое. Физическая величина путь характеризует длину того отрезка траектории, вдоль которой двигалось тело. Измерять путь можно линейками, рулетками (но чаще всего путь рассчитывают, измерив другие, связанные с ним, величины). Выражают путь с помощью различных единиц: метров, сантиметров, дюймов, футов и т. п. Вы, наверняка, видели надпись на дискете для компьютера 3,5", что значит три с половиной дюйма.

О том, как возникли некоторые единицы измерения величин и приборы, с помощью которых проводят измерения, – и пойдет речь ниже.

Измерение времени

История создания приборов для измерения различных физических величин очень интересна. С давних времен и до наших дней сохранились определенные выражения, которые демонстрируют старые представления и способы измерения определенных физических величин. Например, мы до сих пор иногда говорим, что время течет (или «с течением времени»). Дело в том, что когда-то время измеряли водяными часами – вспомните, например, приведенное выше описание опыта Галилея, в котором он использовал такие часы.

Но считают, что одними из первых были солнечные часы. Они были известны еще за 2500 лет до н. э. в Китае! Именно из Китая солнечные часы были завезены в Европу, где они получили очень широкое распространение. Солнечные часы состоят из шкалы-циферблата (как мы сказали бы сейчас), на которую нанесены штрихи, соответствующие целым часам. Промежутки между этими штрихами часто тоже делились на несколько (5 или 10) частей.

Солнечные часы

В большинстве солнечных часов были стержни, которые отбрасывали тень на циферблат. Иногда вместо стержня использовали щиток с отверстием, через которое проходил солнечный луч, и на циферблате образовывалось изображение Солнца. Отсчитывая соответствующий штрих циферблата, на который падала тень или на котором было изображение Солнца, можно было получить определенное значение времени.

Солнечные часы – обсерватория в Дели (Индия)

Некоторые крупные древние сооружения, например, обсерватория в Индии или известный Стоунхендж, выполняли еще и роль солнечных часов.

Точность измерения времени с помощью солнечных часов с современной точки зрения была недостаточно большой. Поэтому интересно будет узнать, что в древности существовали и другие приборы, в частности так называемая клепсидра – водяные часы.

Время летит стрелой, хотя минуты ползут…

Ф. Мендельсон

Клепсидры были двух видов: для отмеривания определенного интервала времени, в течение которого вода перетекает из одного сосуда в другой (подобно песочным часам), а также для определения времени солнечных _ суток – подобно современным часам. В конструкциях второго вида древние механики достигли очень высокого уровня мастерства. Существовали клепсидры, которые действовали безостановочно, причем вода поступала по водопроводу в верхний сосуд, откуда вытекала через насадку, сделанную из драгоценных камней или золота, в нижнюю емкость. Скорость вытекания регулировалась или учитывалась при нанесении делений на специальную шкалу.

Стоунхендж

У римлян сутки от восхода до захода Солнца разбивались на двенадцать часов, поэтому в разное время года продолжительность часа была разной (световой день был разным в разные времена года!). Позже стали применять часы, в которых ход был одинаковым в течение года.

Известная клепсидра Ктезибия (150 г. до н. э.) состояла из цилиндрической колонны, на поверхности которой для каждого из двенадцати месяцев года были нанесены снизу римскими цифрами деления для ночных часов, арабскими – для дневных. Рядом с колонной стояли фигурки двух мальчиков: одна из них была пустотелой и через нее могла поступать вода из водопровода, другая фигурка была прикреплена к специальному поплавку (см. рисунок).

Вода из водопровода поступала в пустотелую фигурку, а потом вытекала из нее каплями через глаза мальчика. Затем эти капли попадали через специальную трубочку в цилиндр, имеющий сверху поплавок со второй фигуркой мальчика, который палочкой указывал на шкалу-циферблат.

Клепсидра Ктезибия

По мере наполнения цилиндра мальчик с палочкой поднимался все выше и выше. В конце, когда палочка-указатель достигала цифры XII, вода из цилиндра с помощью трубки-сифона вытекала. В процессе вытекания вода приводила в действие механизм, вращающий всю колонну на определенный угол так, что за год колонна делала полный оборот.

Клепсидра

Таким образом, это устройство показывало не только время суток, но и месяц!

Согласитесь, эти замечательные часы достойны нашего удивления и восхищения! Заметим, что другие клепсидры были мало похожи на произведение искусства, однако работали по тому же принципу.

Не очень были распространены, однако все же применялись часы из свечей. На довольно большой толстой свече наносили на равных расстояниях черточки. По мере сгорания свечи судили о том, сколько времени прошло. Конечно, такие часы были очень неточными.

В XI веке (а по другим данным – еще в IX в.) появились первые механические часы, но они были такими неточными, что их приходилось сверять по солнечным часам. Лишь в середине XVII в., когда Галилей открыл закон колебания маятника, механические часы вышли на новый уровень точности.

Христиан Гюйгенс

Оказалось, что более точно измерять интервалы времени можно на основе периодических, т. е. повторяющихся процессов. Именно тогда можно обеспечить равномерность хода созданных часов. Свойство, на котором основывается принцип работы маятниковых часов, называется изохронностью (изо – равный, одинаковый; хронос – время).

Современный секундомер

Если вы подвесите к нитке небольшой шарик, винт или нечто подобное, а затем подтолкнете подвешенный предмет, вы сможете наблюдать колебательное движение подвешенного тела – маятника. С помощью маятника можно определять продолжительность определенных событий, приняв за единицу измерения, например, одно полное колебание подвешенного тела.

В свое время голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1695) изобрел механизм часов, основанный именно на колебательном движении гири-маятника. Интересно, что изначально он решал задачу создания устройства, с помощью которого можно было бы точно определять географическую долготу во время путешествий по океану (вспомним, то были времена великих морских походов европейцев в Индию и Новый Свет – Америку, и проблемы морской навигации были очень важными).

Занимаясь разработкой точных часов, Гюйгенс заинтересовался закономерностями колебательного движения вообще. Еще Галилею было известно, что время, которое требуется для одного колебания маятника вдоль дуги окружности, практически не зависит от размаха колебаний. (Между прочим, маятник как измеритель времени, но без часового механизма, применяли еще арабские астрономы в Х в.) Однако Гюйгенс пытался найти такую форму кривой, чтобы колебания маятника совсем не зависели от размаха. Такой кривой оказалась циклоида: при движении по малым дугам циклоиды колебания маятника были изохронными!

Механизм часов Гюйгенса

Позже были изобретены карманные часы, в которых качающийся маятник, был заменен маленьким колесом, удерживаемым спиральной пружиной (балансиром).

Очень удобными оказались специальные часы-секундомеры, которые можно запускать и останавливать нажатием кнопки.

Современные наука и техника применяют уже более точные (в тысячи раз!) часы. Сначала это были кварцевые часы, действие которых основывается на колебаниях кварцевых кристаллов. Еще более точными являются так называемые атомные часы, по ходу которых сегодня определяют продолжительность основной единицы времени – секунды.

Хотя атомные системы совсем не такие, как механические, все равно можно сказать, что там тоже происходят определенные колебания, свойства которых позволяют использовать их для определения малых (до триллионных долей секунды!) промежутков времени.

Измерение длины

Пожалуй, первыми в истории измерениями были измерения длины. Именно на их примере можно видеть, что провести измерение – это значит сравнить значение измеряемой величины с соответствующей эталонной мерой этой величины. (Напомним, что эталон – это образцовая мера, предназначенная для воспроизведения, хранения и передачи единицы измерения с максимальной точностью.)

Определение длины «в попугаях»

Иначе говоря, измерение – это определение того, сколько раз в измеряемой величине укладывается определенная единица измерения.

Например, в Древнем Египте измеряемую длину сравнивали с царским локтем (около 52,5 см) и малым локтем (около 45 см). А вот локоть в Вавилоне составлял примерно 54 см. (Конечно, для того, чтобы мы имели представление о древних единицах длины, сейчас мы их выразили с помощью единицы, которую применяем сегодня, – сантиметра.)

Ну как, вам нравятся такие «эталоны»? Попробуйте, использовать локоть каждого из членов вашей семьи (отца, матери, брата или сестры, бабушки и т. д.) для измерения, например, длины стола. Конечно, вы догадались, что значение результатов этих измерений будут отличаться и это крайне неудобно.

А сейчас вспомните знаменитый мультфильм про тридцать восемь попугаев, где друзья пытались определить длину удава разными мерками: обезьянками и попугаями.

В Древней Руси для измерения длины тоже использовали интересные единицы. В сравнении с современными единицами метрической системы значения этих единиц следующие:

1 вершок = 4,45 см,

1 аршин = 16 вершков = 71,120 см,

1 сажень = 3 аршина = 2,1336 м,

1 верста = 500 саженей = 1,0668 км.

В Соединенных Штатах Америки и Великобритании достаточно долго были распространены такие меры длины:

1 дюйм = 2,54 см,

1 фут = 12 дюймов = 30,48 см,

1 ярд = 3 фута = 36 дюймов = 0,9144 м.

Поскольку у нас применяется именно метрическая система (или, как ее сейчас называют, SI – Международная система единиц (СИ)), следует вспомнить, как она сама и, в частности, ее основные единицы появились.

Метод обмера скульптур. 1727 г.

Впервые слово «метр» как наименование единицы длины применил Тит Буратини в книге «Универсальная мера» в 1675 г. Тогда за единицу длины он предлагал принять длину нити маятника, который делает одно колебание за одну секунду (этот маятник так и называют – секундный). Но в те годы эта мера так и не получила распространения.

В конце XVIII в. в Европе было около сотни различных «футов», десятки различных «миль», различные «фунты», что очень мешало торговым делам. В 1789 г. торговые центры Франции обратились к правительству с просьбой о введении одинаковых единиц измерения.

В 1791 г. Национальным собранием Франции была создана специальная комиссия по подготовке новой системы измерения. В состав комиссии вошли Пьер Симон Лаплас, Лагранж, Гаспар Монж и другие.

Комиссия предложила в качестве единицы длины принять длину, равную одной десятимиллионной части четверти длины Парижского меридиана (1/40000000 длины меридиана). Именно эту единицу и назвали метром.

Интересно, что в главном манифесте комиссии была провозглашена такая идея – необходимо создать новую систему измерения:

1) основанную на «неизменном прототипе, взятом из природы, чтобы ее могли принять все нации»;

2) построенную на десятичной системе, которая соответствует десятичной системе исчисления и поэтому упрощает расчеты.

(Кстати, именно этой комиссией было принято определение 1 секунды как 1/86400 доли солнечных суток, а также определение единицы массы, о чем речь пойдет ниже.)

Для измерения длины дуги меридиана собралась экспедиция, в которую вошли астрономы и геодезисты (специалисты по измерениям расстояний и углов на Земле). В течение нескольких лет (с 1792 по 1799 год) проводились измерения части меридиана между Дюнкерком и Барселоной (примерно 1000 км).

На основе измерений дуги меридиана был изготовлен эталон метра, так называемый «архивный метр» (практически одновременно был изготовлен и «архивный килограмм»). Эталон метра был сделан из платины, его отдали на хранение в Национальный архив Французской республики (откуда и происходит его название «архивный метр», или «метр архива»), а копии этого эталона были переданы в Бюро мер и весов.

Позже, в 1799 г., оказалось, что этот архивный метр короче на 0,08 мм более точно измеренной длины дуги земного меридиана! Но из-за того, что метрическая система мер уже широко распространилась, было решено отказаться от стремления к абсолютно идеальному метру и принять за метр расстояние между двумя штрихами того же архивного платинового метра.

На основе международных соглашений (1870, 1872 и 1875 гг.) в Париже было создано Международное бюро мер и весов, которое изготовило новый эталон метра и 31 его копию. Все эти копии были пронумерованы. Один из этих стандартов (эталон № 6), который более всех других был приближен к старому архивному метру, был принят в 1888 г. в качестве международного прототипа метра. Именно он хранится сейчас во Франции в Международном бюро мер и весов неподалеку от Парижа в г. Севр. Остальные 28 копий были распределены в 1889 г. по жребию между государствами, заказавшими их предварительно. России достались копии № 28 и 11.

С развитием науки и техники возникла потребность в более точном определении единицы длины. Для этого пытались найти способ, благодаря которому удалось бы максимально уменьшить зависимость эталона от каких-то внешних воздействий (изменений температуры и др.). Штриховой эталон не обеспечивал требуемой точности, потому что нужно было как-то учитывать и ширину штрихов, и погрешность, которая возникала при сличении эталонов с прототипом. Кроме того, такой искусственный эталон в случае потери не мог быть восстановлен.

И вот в 1960 г. вместо стержня из сплава платины и иридия был принят новый эталон метра. Он основан на электромагнитном излучении света газом криптоном и равен 1 650 763,73 длины волны в вакууме. Созданный таким образом эталон стали называть криптоновым эталоном метра.

Для уменьшения погрешностей при воспроизведении теперь уже криптонового эталона ученые пошли еще дальше. С целью повышения точности воспроизведения единицы длины было предложено заменить криптоновую лампу другим источником излучения. Таким источником стал лазер.

Усилиями многих ученых из разных стран на основе лазерной техники был создан единый эталон частоты-времени-длины, который позволяет определять эти величины с наибольшей точностью. В результате создания единого эталона было заявлено как точное следующее значение скорости света в вакууме: 299 792 458 м/с. Исходя из этого, сегодня определением единицы длины Международной системы единиц является следующее: метр – это длина пути, который свет проходит в вакууме за 1/299792458 секунды.

Сейчас Международная система единиц (СИ) применяется почти во всем мире. Одним из последних «бастионов», где до недавнего времени использовали другие единицы, была Великобритания. Однако и там недавно официально перешли к единицам СИ, хотя консерваторам-британцам очень трудно проститься с привычками представлять все в своих футах или фунтах…

Заканчивая эту краткую историю измерения длины и ее единиц, заметим, что не следует пугаться приведенных здесь пока еще не совсем ясных для вас физических понятий (электромагнитное излучение, длина волны, лазер и т. д.). Во-первых, видимо, интуитивно вы догадались, о чем идет речь, а во-вторых, у вас еще все впереди, и, продолжая знакомиться с миром физики, вы сможете лучше все это понять. Даже упоминание о современных определениях единиц и современных методах их получения может нацелить вас на восприятие физики уже XXI в., а не только ее истории.