Физика без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты

И тут родился эксперимент! Идеи Николая Кузанского

Родоначальником эксперимента в физике считается философ, ученый, богослов и политик Николай Кузанский (1401–1464). Он ставил на первое место такие методы исследования, как измерение и взвешивание. Так, ученый взвешивал кусок дерева, затем сжигал его и, взвесив золу, выяснял, каковы были в дереве доли «первоэлементов».

Николай Кузанский, следом за античными авторами, считал, что зола аналогична «первовеществу» земли. Вычитая из первоначального веса деревянного бруска вес золы, ученый утверждал, что разница будет равна весу «испарившейся» воды. Наивно? Для нас – да. Но первые эксперименты, без которых ныне невозможно представить науку, были именно такими.

№ 6

Спор через века: Аристотель и Галилей

Итальянский физик и астроном Галилео Галилей (1564–1642) был известен как неутомимый пропагандист гелиоцентрической системы Коперника. К немалому списку его собственных заслуг относятся первое наблюдение в телескоп планеты Сатурн, открытие спутников Юпитера, гор на Луне и пятен на Солнце, изобретение термометра, исследование периодов колебания маятников.

В отличие от Аристотеля, утверждавшего, что тяжелые тела падают быстрее, чем легкие, Галилей считал, что при отсутствии сопротивления воздуха тела будут падать с одинаковым ускорением независимо от их массы. Опровергал он и другой тезис древнегреческого мыслителя – о том, что движение происходит, лишь пока имеется сила, «побуждающая» его. По мнению Галилея, в отсутствие каких-либо внешних сил тело будет либо покоиться, либо равномерно двигаться. Это заявление вошло в физическую науку как закон инерции.

Фронтиспис «Диалога о двух главнейших системах мира», 1635

Также, утверждал Галилей, в условиях свободного падения тела (когда на него действует только сила тяжести) ускорение будет постоянным, скорость будет нарастать пропорционально времени. Согласно легенде, Галилей сбрасывал с вершины Пизанской башни предметы разной массы, замеряя скорость их падения. На самом же деле он пользовался более компактным инструментарием наподобие деревянных желобов и скатывавшихся по ним шаров. Галилей обратил внимание, что скорость шарика, катящегося по наклонной плоскости, никак не зависит от угла наклона, но напрямую зависит от высоты, с которой шарик покатился. Масса же его роли не играет.

Бог не менее открывается нам в явлениях природы, нежели в речах Священного писания. – Галилео Галилей

№ 7

Яблоко упало. А дальше? Закон всемирного тяготения

История о том, как яблоко, упавшее на голову великому ученому Исааку Ньютону (1643–1727), спровоцировало очередное открытие, известна многим. Но в чем суть этого открытия?

Задолго до Ньютона ученый мир задавался вопросами: почему планеты, движущиеся по своим орбитам, строго соблюдают порядок и не разлетаются хаотично в разные стороны? Почему предметы, подброшенные вверх, неизменно падают на землю? Чем обусловлены эти закономерности?

И еще в начале XVI столетия (например, Коперником) были высказаны предположения о существовании некоей божественной силы, от которой зависят форма планет и их взаимное расположение. Ньютон не просто обосновывает идею о том, что все небесные тела обладают способностью притяжения, но и сводит все теории к логичной и доступной формуле. Итак, закон всемирного тяготения Ньютона звучит следующим образом: «Сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m

и m

, разделенными расстоянием r, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними»:

При этом G – так называемая гравитационная постоянная, равная 6,67384(80)10

 м

/(кг с

).

Таким образом, зная массы тел и расстояние между ними, мы можем вычислить действующую на них силу притяжения! Но, конечно, более или менее заметна она будет лишь в отношении тел большой массы.

Гений – это терпение мысли, сосредоточенной в известном направлении. – Исаак Ньютон

Гравитация определяет высоту возвышенностей на планете. Поэтому земные горы не могут быть выше 15 километров.

№ 8

«Давящая атмосфера». Торричелли и его изыскания

В древности Аристотель утверждал: воздух не имеет веса. Но в XVII столетии ученик Галилея Эванджелиста Торричелли (1608–1647) доказал обратное!

Ему не давал покоя вопрос: почему в механизмах, оснащенных насосами, вода поднимается лишь до определенной высоты?

В 1644 году был поставлен опыт, вошедший во все учебники физики: в стеклянную трубочку длиной около метра была налита ртуть. Исследователь, «заткнув» пальцем открытый конец трубки, опустил его в наполненный ртутью сосуд и открыл отверстие. Ничто не препятствовало веществу вытекать из трубки, но уровень ртутного столба застыл на отметке 760 миллиметров. Стало очевидно, что окружающий нас воздух имеет вес: он давит на поверхность жидкости в сосуде и мешает выливаться той ее части, которая находится в трубке.

№ 9

Рождение света: версии от Ньютона до ХХ века

Что такое свет? Как и почему он возникает? – эти вопросы волновали еще античных исследователей. Но систематическое изучение природы света началось только в XVII столетии.

Исаак Ньютон выступил с так называемой корпускулярной теорией света, заявив, что свет состоит из крошечных частичек, которые испускает светящееся тело. Когда эти частички (или корпускулы) попадают в наш глаз, это заставляет нас увидеть источник света. Также, по мнению Ньютона, корпускулы имеют разные размеры. И в зависимости от того, какие корпускулы – большие или помельче – попали в глаз, мы увидим тот или иной цвет.

Почти одновременно с работами Ньютона вышел «Трактат о свете» голландского физика Христиана Гюйгенса (1629–1695), в котором утверждалось: свет – волновое явление. В окружающем «эфире» распространяются упругие импульсы: свет есть подобие электромагнитной волны.

Корпускулы или волны?

Об электромагнитной природе света писал Дж. Максвелл (1831–1879), а Х. Лоренц (1853–1928) утверждал, что электроны, являющиеся составной частью атомов, могут как поглощать, так и испускать свет. В самом начале ХХ века М. Планк (1858–1947) и А. Эйнштейн (1879–1955) обосновали квантовую теорию, согласно которой вещество излучает свет порциями, или квантами. В сегодняшней науке победила версия, согласно которой корпускулярная и волновая теории вполне могут быть совмещены.

А скорость света впервые измерил датский астроном Оле Рёмер (1644–1710): по его расчетам, она составляла около 220 000 км/с (современные данные несколько иные – около 300 000 км/с.)

Основная философская ценность физики в том, что она дает мозгу нечто определенное, на что можно положиться. – Дж. Максвелл

№ 10

«Круговорот» энергии: законы термодинамики

В прошлом «живой силой» именовали результат действия, производимого движущимся телом. Готфрид Лейбниц (1646–1716) определял эту величину как произведение массы тела на квадрат его скорости. Британский физик Томас Юнг (1773–1829) предложил вместо «силы» использовать термин «энергия» (от лат. «деятельность», «мощь»).

В XIX веке окончательно сложились два понятия: энергия кинетическая и энергия потенциальная. В первом случае энергия возникает при движении – например, текущая вода вертит жернова и превращает зерно в муку, работающее сверло станка заставляет его детали нагреваться. Во втором же речь идет о той энергии, которой обладают предметы в состоянии покоя: скажем, подвешенный на тросе груз, будучи сброшен на землю, может сделать в ней углубление.

В середине XIX века ученый Джеймс Джоуль (1818–1889), ставя опыты по получению тепла в ходе механической работы, сделал вывод: один вид энергии может переходить в другой. Так появилась термодинамика – раздел физики, изучающий возможности и способы передачи и превращения энергии. И первый ее закон (он же – закон сохранения энергии) гласит: энергия не возникает из ниоткуда и не уходит в никуда! В замкнутой системе ее количество остается постоянным. Второй закон, сформулированный Рудольфом Клаузиусом (1822–1888), констатирует: при любом энергетическом обмене или преобразовании (например, при кипячении воды) часть энергии будет потеряна.

Действительные богатства человечества – это искусства и науки. Это то, что отличает больше всего людей от животных и цивилизованные народы от варваров. – Готфрид Лейбниц

Механический калориметр Джоуля

С помощью этого прибора была определена зависимость между работой и теплотой

№ 11

«Янтарность» – это интересно. Явление электричества

Еще в VII веке до нашей эры греческий философ и ученый Фалес Милетский обратил внимание, что если потереть клочком шерсти кусок янтаря (его греки называли «электроном»), то он начнет притягивать к себе шерстинки и прочую мелочь. Но тогда ученые не пошли дальше констатации факта.

Во второй половине XVI столетия англичанин Уильям Гильберт (1544–1603) в своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» использовал термин «электричество» – то есть, дословно, «янтарность». Электрическими Гильберт именовал тела, которые подобно янтарю после натирания приобретали способность притягивать мелкие предметы. Также он предположил, что Земля по своей сути представляет большой магнит. Так была заложена основа для исследования неограниченных возможностей электричества.