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

Фиг. 161. Миниатюрная химическая лаборатория.

Стеклянный прибор с реактивами уравновешивают на чувствительных весах. Прибор наклоняют, и вещества вступают в химическую реакцию. Когда прибор снова принимает комнатную температуру, повторно проверяют равновесие.

Даже самыми точными экспериментами, проведенными в прошлом столетии, по-видимому, не удалось обнаружить ничтожную массу, уносимую, как мы считаем, в виде тепловой энергии, выделяющейся при некоторых химических реакциях. Таким образом, мы долго верили в сохранение массы, в представление о том, что общее количество вещества остается постоянным при всех изменениях движения и при любых химических превращениях. Только в нынешнем столетии выяснилось, что эта точка зрения слишком ограничена. Как бы ни было трудно дать определение массы, для тех, кто с ней работает, понятие «масса» кажется простым и реальным. Физики построили механику движения на основании предположения, что масса — это постоянное свойство вещества, что масса сохраняется. Химики проверили сохранение массы и затем стали опираться на него для дальнейшего развития химических знаний. В повседневной жизни, как и в науке и технике, мы по-прежнему считаем закон сохранения массы не требующим доказательства.

В прошлом веке появился закон сохранения энергии (см. гл. 26 и 29 ) [107]и укрепилось убеждение в его правильности: сперва появилось представление об энергии, потом гипотезы, затем последовали строгие проверки, и, наконец, когда сошлись все данные, подтверждавшие этот закон, вера в него стала непреложной. Только в нынешнем столетии мы до конца поняли, что энергия сама обладает массой, так что оба великих закона сохранения можно объединить в один закон огромной важности и универсального значения.

Несовершенство научной терминологии

Мы говорим, что «взвешиваем» предметы, тогда как на самом деле сравниваем массы тел. Это правильное утверждение, поскольку сравнение масс большей частью производят путем взвешивания, но это создает путаницу у тех, кто ждет ответа на вопрос, что такое масса. Хуже того, эталоны массы (куски металла самой различной величины), которые в торговой практике и в повседневной жизни называют «гирями», в практике научного эксперимента именуют «разновесами», что ассоциируется со словом «вес» [108]. Это неудачное название способствует путанице, но нам приходится, следуя установившейся практике, пользоваться им. Хуже всего то, что мы говорим «человек весит 100 кг», а имеем в виду его массу 100 кг.

Постоянная масса, изменяющийся вес

Килограмм в коробке с гирями представляет собой универсальный эталон массы. Будучи единицей массы, килограмм всюду один и тот же, хотя его вес был бы значительно меньше на Луне и уменьшился бы до нуля, если бы поместили его в центр Земли. Утверждение «Масса никогда не меняется» — это наше рабочее правило. Теория относительности заставляет нас сбавить тон: «Ну, хорошо, почти никогда не меняется»; изменения массы заметны лишь тогда, когда тела приобретают колоссальные скорости или происходят огромные изменения энергии. При всех обычных скоростях — от скорости улитки до скорости ракет — масса сохраняет неизменное значение. Вот почему ученые питают такое расположение к массе, считая ее тем свойством, о которым удобно иметь дело.

Советуем вам проработать задачу 6 , приведенную в этой главе. Она может показаться трудной, но зато позволит вам лучше уяснить себе, что такое масса и вес.

Непосредственное сравнение масс при помощи инерционных весов

Предположим, что мы хотим измерить или сравнить инертные массы непосредственно, не пользуясь косвенным, хотя и точным, методом взвешивания. В таком случае мы должны проделать опыты типа показанных на фиг. 160 или 162, в которых измеряется ускорение.

Фиг. 162. Непосредственное сравнение масс.

Эти опыты позволяют измерить массу так, как нужно, исходя из ее определения: Macca= F/ a. Одну и ту же силу (фиг. 162) прикладывают к следующим предметам [109]

1) к пустой тележке

F= K∙( M 0+ M)∙ a 1

2) к тележке с телом неизвестной массы

F= K∙( M 0+ M+ X)∙ a 2

3) к тележке с гирей 1 кг

F= K∙( M 0+ M+ 1)∙ a 3

Приспособлением для прямого сравнения масс могут служить инерционные весы, показанные на фиг. 163. Они дают значительно менее точный результат, нежели простое взвешивание, и годятся только для демонстрации идей правильного измерения массы.

Фиг. 163. Инерционные весы.

Инерционные весы имеют площадку Р , которая крепится при помощи двух прочных и достаточно упругих пружин S . Если площадку Р оттянуть вбок, а затем отпустить, то она начнет совершать колебания в горизонтальной плоскости. Тела, помещенные на площадку Р весов, тоже будут приобретать ускорение под действием пружин. Чем больше масса тела, тем меньше ускорение и тем больше период колебаний площадки. Для сравнения неизвестной массы с набором эталонов нужно так подобрать комбинации эталонных масс, чтобы, поместив их на площадку весов вместо тела неизвестной массы, получить такой же период колебаний. Можно также воспользоваться интерполяцией или поручить математикам проанализировать движение и выяснить (с помощью соотношения F= K∙ M∙ a) зависимость периода колебаний весов от общей массы, помещенной на площадку. Тогда мы могли бы измерить период колебаний при нагрузке в виде тела неизвестной массы, а затем в виде какой-нибудь эталонной массы и вычислить неизвестную массу.

Задача 2. Математический анализ инерционных весов . (Задача трудная, но стоит попытаться ее решить, чтобы облегчить себе решение задачи 3.)

1) Рассмотрев внимательно общее соотношение F= K∙ M∙ aи соотношение s= a∙ t 2/2 для равномерно-ускоренного движения (в данном случае движение неравномерно-ускоренное), попытайтесь угадать характер зависимости между Т , периодом колебаний и М , общей массой площадки и нагрузки («угадать» — значит, основываясь на некоторых рассуждениях, высказать предположение о характере этой зависимости: будет ли она иметь вид Т ~ М , или Т ~ М 2, или какой-нибудь иной вид). Выберите в качестве допущения некую форму записи закона Гука для связи между F и s . ( Указание . Хотя в данном случае ни сила, ни ускорение не являются постоянными, можно применить соотношения того же вида. Для заданного отклонения s площадки весов сила F , развиваемая изогнутыми пружинами, одна и та же независимо от того, нагружена площадка или нет. Действительно, отношение F / s представляет собой своего рода постоянную пружину. Пружинам все равно, что находится на площадке весов: если их отогнуть, они разгибаются независимо ни от чего.)