Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

Опыт 1(г).Мы сталкиваемся с примерами прямолинейного движения, анализируя траектории тел, движущихся с большой скоростью: ружейная пуля движется настолько быстро, что на небольшой длине полета дули расстояние по вертикали, пройденное ею в падении, оказывается незаметным. Это говорит о том, что траектория близка к прямой, но никоим образом не убеждает в постоянстве скорости. Можно пропустить пучки электронов (и других атомных частиц), Движущихся еще быстрее, через проделанные булавкой проколы в нескольких перегородках в длинной трубке (фиг. 142).

Фиг. 142. Поток электронов в отсутствие внешних сил движется по прямой линии.

Если отверстия расположить не по прямой линии, то пучок не пройдет [89] Как можно убедиться в том, что проколы расположены на одной линии? Физик-экспериментатор воспользовался бы, вероятно, электрическим фонарем. Но если бы он не решился положиться на прямолинейность лучей света, то мог бы использовать туго натянутую нить и учесть ее провес, как это делают землемеры. .

Быстрые атомные частицы, проходя через чувствительный слой эмульсии, которой покрывают фотопластинки, оставляют черный след. Проходя через фотографические пленки под малым углом к поверхности, они оставляют черточки, очень близкие к отрезку прямых (посмотрите фотографии эмульсий со следами электронов, протонов и других частиц, происхождение которых связано с космическими лучами).

Опыт 2. Сила и ускорение .Соотношение, к которому мы пришли выше (в результате опытов с идеализированными пружинами), представляет собой основной закон физики. Поэтому стоило бы познакомиться с настоящими демонстрационными опытами. Чтобы проверить, действительно ли ускорения пропорциональны силам (эту мысль внушили Ньютону труды Галилея), мы измеряем ускорение небольшой тележки, движущейся по рельсам под действием тяги различной величины (фиг. 143).

Фиг. 143. Демонстрационный опыт, иллюстрирующий зависимость между силой, массой и ускорением.

Небольшой груз тянет массивную тележку при помощи нити, перекинутой через блоки. Рельсовый путь слегка наклонен для компенсации трения.

Рельсам придан небольшой уклон для компенсации трения. Коль скоро мы сообщаем о том, какие меры принимаем, то можно считать, что мы поступаем вполне честно. Трение целесообразно компенсировать или свести к минимуму: законы движения не перестают действовать при наличии трения, но оно создает дополнительную силу, которую надо отдельно измерить, если мы хотим знать результирующую силу. Именно результирующая сила фигурирует в законах в их простой формулировке.

Детали устройства рельсового пути и системы отсчета времени зависят от имеющегося в наличии оборудования. Рельсовый путь должен быть длинным, рельсы стальные, как можно более прямые, тщательно уложены. Колеса тележки должны быть снабжены шариковыми подшипниками. Электрическая система измерения времени с большими часами в качестве регистрирующего устройства удобнее, чем перьевые отметчики времени, оставляющие чернильные точки или волнистые кривые. Пуск часов может производиться замыканием электрического контакта, а остановка — с помощью фотоэлемента (фиг. 144).

Фиг. 144. Схема опыта для демонстрации зависимости между силой, массой и ускорением.

В момент, когда тележка отъезжает от «стартового столба», разрывается питание электромагнита (оно проходит через тележку и контакт на «стартовом столбе») и электромагнит отпускает рычажок, который включает часы. Когда тележка достигает конечного пункта, укрепленная на ней полоска картона перекрывает луч света, направленный на фотоэлемент. Пока фотоэлемент освещен, в нем создается поток электронов, который усиливается и приводит в действие электромагнит.

Когда световой поток прерывается, электромагнит отпускает (второй) рычажок, замыкающий цепь электрических часов. Таким образом, часы регистрируют продолжительность движения тележки, начинающегося из состояния покоя, в пределах некоторого измеренного отрезка пути. На данном этапе эта схема опыта может показаться сложной и таинственной. Впоследствии вы встретитесь с этими устройствами — с фотоэлементами, усилителями и т. д. Все, что от вас сейчас нужно, — это, чтобы вы понаблюдали за работой действующей системы с движущейся тележкой и часами.

Вы увидите, что часы включаются, когда тележка отходит от «стартового столба», и останавливаются, когда она доходит до фотоэлемента.

Пользуясь этими часами для непосредственного наблюдения, вы поступаете ничуть не хуже, чем при пользовании любыми другими часами: вы убеждены в том, что они работают приемлемо, хотя и считаетесь с возможностью нежелательных ошибок.

Наблюдая за этим важным демонстрационным опытом, выполняемым с помощью сложной аппаратуры, воспользуйтесь также для контроля вашими ручными часами.

Измерение сил: «силомер»

Примером ускоренного движения обычно служит свободное падение тел, а земное притяжение, заставляющее тела падать, — примером силы. Тем не менее было бы ошибкой использовать земное притяжение на первом этапе изучения сил и ускорения, ибо это приведет к серьезной путанице, связанной с очень важным понятием массы. Воспользуемся лучше «силомером» — хорошей стальной пружиной со стрелкой и шкалой, размеченной для измерения силы в «странгах». Как и прежде, один странг — это произвольная единица силы, которая, растягивая пружину, придает ей стандартное удлинение.

Чтобы разметить шкалу измерения сил в 2, 3, 4… странга, нет никакой необходимости обращаться к закону Гука. Возьмем еще несколько одинаковых пружин, проверенных на идентичность подвешиванием к каждой из них одного и того же груза или одновременным растяжением всех пружин, расположенных рядом [90] Идеальный способ калибровки — простой с точки зрения теории, но трудный на практике — заключается в том, чтобы подгонять пружины по их способности сообщать ускорение. Прикрепляя пружины поочередно к одной и той же тележке, сжимайте или растягивайте их, пока все они при некотором стандартном удлинении не будут сообщать ей одно и то же ускорение. . Затем возьмем эти пружины и будем растягивать силомер, прикрепляя к нему пружину — одну для 1 странга, две в параллель для 2 странгов, — и нанесем отметки на шкале. Потом три, потом четыре пружины… [91] Или, если вам больше нравится, можно изготовить несколько одинаковых металлических грузов, каждый из которых притягивался бы землей так, чтобы растягивать пружины с силой 1 странг; затем, подвешивая 1, 2, 3… таких груза к основной пружине, отмечают ее удлинения на шкале; 1, 2, 3… странга. Более мелкие деления можно нанести на шкалу путем интерполяции. Мы получим «силомер» для измерения сил по удлинению пружины.