Экспериментальная и теоретическая физика. Физика – наука экспериментальная

Экспериментальная физика - Шутов В.И ., Сухов В.Г. , Подлесный Д.В . - 2005

Описаны экспериментальные работы, входящие в программу физико-математических лицеев в рамках физического практикума. Пособие представляет собой попытку создания единого руководства для проведения практических занятий в классах и школах с углубленным изучением физики, а также для подготовки к экспериментальным турам олимпиад высокого уровня.
Вводный материал традиционно посвящен методам обработки экспериментальных данных. Описание каждой экспериментальной работы начинается с теоретического введения. В экспериментальной части приводятся описания экспериментальных установок и задания, регламентирующие последовательность работы учащихся при проведении измерений. Приводятся образцы рабочих таблиц для записи результатов измерений, рекомендации по методам обработки и представления результатов и требования к оформлению отчетов. В конце описаний предлагаются контрольные вопросы, ответы на которые учащиеся должны подготовить к защите работ.
Для школ и классов с углубленным изучением физики.

Введение.

Погрешности физических величин. Обработка результатов измерений.

Практическая работа 1. Измерение объема тел правильной формы.
Практическая работа 2. Исследование прямолинейного движения тел в поле земного тяготения на машине Атвуда.
Практическая работа 3. Сухое трение. Определение коэффициента трения скольжения.
Теоретическое введение к работам по колебаниям.
Практическая работа 4. Изучение колебаний пружинного маятника.
Практическая работа 5. Изучение колебаний математического маятника. Определение ускорения свободного падения.
Практическая работа 6. Изучение колебаний физического маятника.
Практическая работа 7. Определение моментов инерции тел правильной формы методом крутильных колебаний.
Практическая работа 8. Изучение законов вращения твердого тела на крестообразном маятнике Обербека.
Практическая работа 9. Определение отношения молярных теплоемкостей воздуха.
Практическая работа 10. Стоячие волны. Измерение скорости волны в упругой струне.
Практическая работа 11. Определение отношения ср/с ι? для воздуха в стоячей звуковой волне.
Практическая работа 12. Изучение работы электронного осциллографа.
Практическая работа 13. Измерение частоты колебаний путем исследования фигур Лиссажу.
Практическая работа 14. Определение удельного сопротивления нихромовой проволоки.
Практическая работа 15. Определение сопротивления проводников компенсационным методом Уитстона.
Практическая работа 16. Переходные процессы в конденсаторе. Определение емкости.
Практическая работа 17. Определение напряженности электрического поля в цилиндрическом проводнике с током.
Практическая работа 18. Исследование работы источника в цепи постоянного тока.
Практическая работа 19. Изучение законов отражения и преломления света.
Практическая работа 20. Определение фокусных расстояний собирающей и рассеивающей линз.
Практическая работа 21. Явление электромагнитной индукции. Исследование магнитного поля соленоида.
Практическая работа 22. Исследование затухающих колебаний.
Практическая работа 23. Изучение явления резонанса в цепи переменного тока.
Практическая работа 24. Дифракция Фраунгофера на щели. Измерение ширины щели «волновым методом».
Практическая работа 25. Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка как оптический прибор.
Практическая работа 26. Определение показателя преломления стекла «волновым» методом.
Практическая работа 27. Определение радиуса кривизны линзы в эксперименте с кольцами Ньютона.
Практическая работа 28. Исследование поляризованного света.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Экспериментальная физика - Шутов В.И., Сухов В.Г., Подлесный Д.В. - 2005 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

Физика - экспериментальная наука . В трудах Галилея, Ньютона и других исследователей утвердился ее основной метод: любое предсказание теории должно быть подтверждено опытом. В XVII, XVIII и даже XIX вв. одни и те же люди и проводили теоретический анализ, и сами проверяли свои выводы на опыте. Но в XX в. стремительное накопление знаний, развитие техники, все, что носит название научно-технической революции, привели к тому, что одному человеку стало не под силу и создавать теории, и ставить эксперименты.

Произошло разделение физиков на теоретиков и экспериментаторов. Конечно, нет правил без исключений, и иногда теоретики ставят опыты, а экспериментаторы занимаются теорией. Но с каждым годом таких исключений становится все меньше.

Сейчас в руках экспериментаторов имеется сложная и мощная техника: ускорители, ядерные реакторы, техника сверхвысокого вакуума, глубокого охлаждения и, конечно, электроника. Она совершенно преобразила возможности опыта, и это можно проиллюстрировать на таком примере.

В начале нашего века Э. Резерфорд и его сотрудники регистрировали в своих экспериментах альфа-частицы с помощью экрана из сернистого цинка и микроскопа. При попадании каждой частицы на экран последний давал слабую вспышку света, которую можно было разглядеть в микроскоп. Перед началом опыта исследователям приходилось часами сидеть в темноте для обострения чувствительности глаз. Максимальное число импульсов, которое удавалось сосчитать,- было два-три в секунду. Через несколько минут глаза уставали.

А сейчас специальные электронные приборы - фотоумножители - в состоянии различить и превратить в электрические импульсы гораздо более слабые световые вспышки. Они успевают сосчитать десятки и сотни тысяч импульсов в секунду. И не только сосчитать. Специальные схемы, используя форму электрического импульса (повторяющего световой), дают информацию об энергии, заряде, даже о типе частицы. Эта информация запоминается и обрабатывается быстродействующими вычислительными машинами.

Следует отметить, что у экспериментальной физики двоякие отношения с техникой. С одной стороны, физика, открывая неизвестные еще области, такие, как электричество, атомная энергия, лазеры, постепенно осваивает их и передает в руки инженеров. С другой стороны, после того как техника создала соответствующие приборы и даже новые отрасли промышленности, экспериментальная физика начинает использовать эти приборы при постановке опытов. И это позволяет ей все глубже проникать в тайны материи.

Современные средства проведения эксперимента требуют участия уже целого коллектива экспериментаторов.

Экспериментальное исследование можно условно разбить на три части: подготовка, измерение, обработка разультатов.

Когда рождается идея опыта, на повестку дня становится возможность его осуществления, создания новой установки или переделки старой. На этой стадии необходимо проявить максимальную предусмотрительность.

«Я всегда придавал очень большое значение тому, как был задуман и поставлен опыт. Конечно, надо исходить из определенной, заранее продуманной идеи; но каждый раз, когда это только возможно, опыт должен оставлять максимальное число открытых окон для того, чтобы можно было наблюдать непредусмотренное явление»,- писал выдающийся французский физик Ф. Жолио-Кюри.

При конструировании и изготовлении установки на помощь эскпериментатору приходят специализированные конструкторские бюро, мастерские, иногда и большие заводы. Широко используются готовые приборы и блоки. Тем не менее на долю физиков выпадает самая ответственная работа: создание тех узлов, которые являются уникальными и которые порой никогда и нигде еще не применялись. Поэтому выдающиеся физики-экспериментаторы всегда были и очень хорошими инженерами.

Когда установка собрана, приходит время проведения контрольных экспериментов. Их результаты служат для проверки работоспособности аппаратуры и снятия ее характеристик.

А потом начинаются основные измерения, которые иногда могут продолжаться очень долго. Своеобразный рекорд был поставлен при регистрации солнечных нейтрино - измерения продолжались 15 лет.

Обработка результатов тоже далеко не простое дело. Существуют области экспериментальной физики, в которых на обработке сосредоточен центр тяжести всего опыта, например на обработке снимков, полученных в пузырьковой камере. Камеры установлены на пути пучков крупнейших в мире ускорителей. В них на следе пролетевшей частицы образуется цепочка пузырьков. След становится видным и может быть сфотографирован. Камера «выдает» десятки тысяч фотографий в сутки. Еще недавно (сейчас и здесь на помощь пришла автоматика) сотни лаборантов сидели у просмотровых столиков за проекционными микроскопами, производя первичный отбор фотографий. Затем в действие вступали автоматизированные установки и ЭВМ. И уже после всего этого исследователи получали нужную информацию, могли строить графики, производить расчеты.

Советским экспериментаторам есть чем гордиться. Перед революцией в России насчитывалось всего несколько десятков серьезно работающих физиков. Большинство из них проводили исследования в неприспособленных помещениях и с самодельными приборами. Поэтому открытия мирового класса, сделанные П. Н. Лебедевым (давление света), А. Г. Столетовым (исследования фотоэффекта), можно назвать настоящим подвигом.

Наша экспериментальная физика была заложена в трудных условиях первых лет Советской власти. Она создавалась усилиями таких ученых, как А. Ф. Иоффе, С. И. Вавилов и ряд других. Они были экспериментаторами, учителями, организаторами науки. Их ученики и ученики их учеников прославили отечественную физику. Излучение Вавилова - Черенкова (см. Вавилова - Черенкова эффект), сверхтекучесть, комбинационное рассеяние света, лазеры - перечисление только крупнейших открытий советских ученых может занять много страниц.

Развитие экспериментальной физики не похоже на гладкую и накатанную дорогу. Трудом многих людей накапливаются наблюдения, производятся опыты и расчеты. Но вот рано или поздно постепенный рост наших знаний претерпевает резкий скачок. Происходит открытие. Многое из того, к чему все так привыкли, представляется совсем в ином свете. И надо дополнять, переделывать, иногда создавать заново теорию, спешно производить новые эксперименты.

Поэтому многие выдающиеся ученые сравнивали путь науки с дорогой в горах. Она идет далеко не по прямой, заставляет путников подниматься по крутым склонам, иногда отступать назад, чтобы в конце концов достигнуть вершины. И тогда с побежденной высоты открываются новые вершины и новые пути.

Физика – наука экспериментальная. Под экспериментом понимают опыт, т. е. наблюдение исследуемого явления в учитываемых условиях, позволяющих следить за его ходом и воссоздавать каждый раз при повторении тех же условий. Поэтому понимание о и сознание физической теории невозможно без подтвержденных данных, т. е. без эксперимента. Она предполагает активную самостоятельную позицию учащихся в учении; развитие общеучебных умений и навыков: в первую очередь исследовательских и самооценочных; Формирование умений, которые связаны с опытом, их применения в практической деятельности, приоритетное нацеливание на развитие познавательного интереса учащихся, реализацию принципа связи обучения с жизнью.

Для многих учащихся материал по физике, изложенный в книгах и учебниках, остается долгое время непонятным. И интерес к данному предмету из-за непонимания снижается, что ведет к непониманию предмета и снижению успеваемости.

Как пробудить у учащихся тягу к знаниям? Как оживить процесс обучения, как создать атмосферу радостной приподнятости, сопутствующей поиску и творчеству? Как сделать учебную деятельность жизнерадостной, увлекательной и интересной.

Поможет решить эти вопросы при обучении физики постановка ученика в условия исследователя, на место учёного или первооткрывателя

Для учащегося наблюдения и опыты, и организация исследовательской деятельности при изучении физики – необходимый фактор, позволяющий повысить интерес к физической науке, сделать её увлекательной, занимательной и полезной и осознать, что физика – это не страшно, физика – это интересно.

Именно эксперимент помогает ученику не только лучше понять теорию, но и активно включаться в работу на уроке, выдвигать свои теории для решения проблемы, решать не только вместе с учителем поставленные задачи, но и даже самостоятельно. Эксперимент составляет важную сторону практики. С его помощью наука в состоянии не только объяснить явления материального мира, но и непосредственно овладеть ими. Поэтому эксперимент является одним из главных средств связи науки с жизнью.

Эксперимент является одновременно источником знаний, методом обучения и средством активизации познавательной деятельности учащегося.

Он ставится для всего класса. Значительная часть учащихся, особенно мальчиков, имеет рано пробудившийся интерес к технике вообще. Поэтому появление на демонстрационном столе любых технических устройств в виде приборов демонстрационного эксперимента привлекает их внимание.

Для успешной исследовательской деятельности необходимо выработать у учащихся навыки работы своими руками и пробудить интерес к исследовательской работе.

Важно, чтобы учащиеся научились:

Ставить цель;

Составлять план исследований;

Подбирать необходимые приборы и материалы;

Собирать необходимые установки;

Проводить исследования и формулировать выводы

Психологи отмечают, что сложный зрительный материал запоминается лучше, чем его описание. Поэтому демонстрация опытов запечатлевается лучше, чем его рассказ учителя о физическом опыте.

В практике обучения физике в школе сложились три вида экспериментальных занятий:

Физический практикум;

Домашние экспериментальные работы по физике.

Остановимся на домашних экспериментах по физике.

Сегодня в сфере образования набирают силу новые критерии оценки качества образования, учитывающие динамику развития каждого учащегося. Это связано с нарастающей скоростью перемен в обществе: меняются государства, технологии, уклад жизни, появляются новые продукты и потребности, меняются формы работы. Наиболее успешными становятся люди, которые могут за ограниченное время создать уникальный продукт или услугу, перестроится и овладеть новыми методами работы, предложить неординарный выход из проблемной ситуации, то есть реализовать определенные компетенции. Необходимость быстрого поиска решения возникающих производственных и научных задач привела к распространению самостоятельной деятельности как технологии решения проблем. Понятно, что успешных специалистов можно получить, только если формировать их со школьной скамьи. В результате самостоятельная деятельность учащихся необратимо станет одной из важнейших форм современного образования.

При проведении демонстрационного опыта в классе время, отводимое на опыт, ограничивается продолжительностью урока, а на самом деле еще меньше. При этом основную деятельность выполняют учитель и, в лучшем случае, один - два ученика. Остальные только наблюдают за проведением опыта. Часто после урока, на котором проводилась демонстрация, к столу учителя подходит много детей, желающих покрутить ручку генератора, потрогать стакан с водой на ощупь, чтобы определить его температуру и так далее. Это всё показывает то, что многие дети сами хотят ставить опыты, им это интересно! Учителя всегда стараются (конечно, если это хорошие учителя) вести обучение таким образом, чтобы детям было интересно. А тут и искать ничего не надо - дети сами дают подсказку о том, что они не прочь поэкспериментировать сами, посмотреть те явления, о которых рассказывал учитель в теории, на практике.

А что будет, если учитель предложит ученикам выполнить опыт или провести наблюдение вне школы, то есть дома или на улице? Сейчас на передовые исследования нужны огромные средства, которые не всегда имеются даже у некоторых стран. Таким образом, опыты, задаваемые на дом, должны не требовать применения каких-либо приборов и существенных материальных затрат. Может показаться, что научная ценность таких опытов, очень мала. Но разве плохо, если ребенок сам может проверить открытый за много лет до него закон или явление? Опыт - задание творческое, делая что-либо самостоятельно, ученик, хочет он этого или нет, а задумается: как проще провести опыт, где встречался он с подобным явлением на практике, где еще может быть полезно данное явление. Здесь надо заметить то, чтобы дети научились отличать физические опыты от всяческих фокусов, не путать одно с другим.

Что необходимо ребенку, чтобы провести опыт дома? В первую очередь, наверное, это достаточно подробное описание опыта, с указанием необходимых предметов, где в доступной для ребенка форме сказано, что надо делать, на что обратить внимание. В школьных учебниках физики на дом предлагается либо решать задачи, либо отвечать на поставленные в конце параграфа вопросы. Там редко можно встретить описание опыта, который рекомендуется школьникам для самостоятельного проведения дома. Следовательно, если учитель предлагает ученикам проделать что-либо дома, то он обязан дать им подробный инструктаж. Опыт не должен требовать от ученика каких-либо существенных материальных затрат, при проведении опыта должны использоваться предметы и вещества, которые есть практически в каждом доме: посуда, банки, бутылки, вода, соль и так далее. Выполняемый дома школьниками эксперимент должен быть простым по выполнению и оборудованию, но, в то же время, являться ценным в деле изучения и понимания физики в детском возрасте, быть интересным по содержанию.

Главные задачи домашнего эксперимента:

Формирование умения наблюдать физические явления в природе и в быту;

Формирование умения выполнять измерения с помощью измерительных средств, использующихся в быту;

Формирование интереса к эксперименту и к изучению физики;

Формирование самостоятельности и активности.

Домашние лабораторные работы могут быть классифицированы в зависимости от используемого при их выполнении оборудования:

Работы, в которых используются предметы домашнего обихода и подручные материалы (мерный стакан, рулетка, бытовые весы и т. п.);

Работы, в которых используются самодельные приборы (рычажные весы, электроскоп и др.);

Работы, выполняемые на приборах, выпускаемых промышленностью.

Домашний эксперимент можно задавать после прохождения темы в классе. Тогда ученики увидят собственными глазами и убедятся в справедливости изученного теоретически закона или явления. При этом полученные теоретически и проверенные на практике знания достаточно прочно отложатся в их сознании.

А можно и наоборот, задать задание на дом, а после выполнения провести объяснение явления. Таким образом, можно создать у учащихся проблемную ситуацию и перейти к проблемному обучению, которое непроизвольно рождает у учащихся познавательный интерес к изучаемому материалу, обеспечивает познавательную активность учащихся в ходе обучения, ведет к развитию творческого мышления учеников. В таком случае, даже если школьники не смогут объяснить увиденное дома на опыте явление сами, то они будут с интересом слушать рассказ преподавателя.

Примеры домашних экспериментов по физике:

Трение.

1. Возьмите длинную тяжелую книгу, перевяжите ее тонкой ниткой и

прикрепите к нитке резиновую нить длиной 20 см. Положите книгу на стол и очень медленно начинайте тянуть за конец резиновой нити. Попытайтесь измерить длину растянувшейся резиновой нити в момент начала скольжения книги. Измерьте длину растянувшейся книги при равномерном движении книги. Положите под книгу две тонкие цилиндрические ручки (или два цилиндрических карандаша) и так же тяните за конец нити. Измерьте длину растянувшейся нити при равномерном движении книги на катках. Сравните три полученных результата и сделайте выводы. Примечание. Следующее задание является разновидностью предыдущего. Оно так же направлено на сравнение трения покоя, трения скольжения и трения качения.

2.Положите на книгу шестигранный карандаш параллельно ее корешку. Медленно поднимайте верхний край книги до тех пор, пока карандаш не начнет скользить вниз. Чуть уменьшите наклон книги и закрепите ее в таком положении, подложив под нее что-нибудь. Теперь карандаш, если его снова положить на книгу, съезжать не будет. Его удерживает на месте сила трения - сила трения покоя. Но стоит эту силу чуть ослабить - а для этого достаточно щелкнуть пальцем по книге, - и карандаш поползет вниз, пока не упадет на

стол. (Тот же опыт можно проделать, например, с пеналом, спичечным коробком, ластиком и т. п.). Подумайте, почему гвоздь легче вытащить из доски, если вращать его вокруг оси? Чтобы толстую книгу передвинуть по столу одним пальцем, надо приложить некоторое усилие. А если под книгу положить два круглых карандаша или ручки, которые будут в данном случае роликовыми подшипниками, книга легко передвинется от слабого толчка мизинцем. Проделайте опыты и сделайте сравнение силы трения покоя, силы трения скольжения и силы трения качения.

3. На этом опыте можно наблюдать сразу два явления: инерцию, опыты с

которой будут описаны дальше, и трение. Возьмите два яйца: одно сырое, а другое сваренное вкрутую. Закрутите оба яйца на большой тарелке. Вы видите, что вареное яйцо ведет себя иначе, чем сырое: оно вращается значительно быстрее. В вареном яйце белок и желток жестко связаны со своей скорлупой и между собой т. к. находятся в твердом состоянии. А когда мы раскручиваем сырое яйцо, то мы раскручиваем сначала лишь скорлупу, только потом, за счет трения, слой за слоем вращение передается белку и желтку. Таким образом, жидкие белок и желток своим трением между слоями тормозят вращение скорлупы. Примечание. Вместо сырого и вареного яиц можно закрутить две кастрюли,

в одной из которых вода, а в другой находится столько же по объему крупы.

Давление газов. Атмосферное давление.

1. Ополосните пластиковую бутылку горячей водой и плотно закройте крышкой. По мере остывания в ней воздуха до комнатной температуры, давление внутри падает, атмосферное давление сдавливает бутылку с боков. Почему?

2. Модель работы легких. Отрежьте дно у пластиковой бутылки. Натяните на горлышко воздушный шарик и протолкните его внутрь. Отрезанную часть бутылки затяните пленкой от другого воздушного шарика или от использованной резиновой перчатки и закрепите ее скотчем. При оттягивании пленки объем воздуха внутри бутылки увеличивается, давление уменьшается и становится меньше атмосферного, шарик надувается. При надавливании на нижнюю пленку объем воздуха в бутылке уменьшается, давление становится больше атмосферного, шарик сжимается.

3. Надуйте воздушный шарик. О каких свойствах газа и оболочки шарика свидетельствует его форма. Почему, направляя струю воздуха в определенном направлении, мы заставляем шарик раздуваться сразу по всем направлениям? Почему не все воздушные шарики принимают сферическую форму?

4. С помощью трубочки или соломинки и мыльного раствора получите мыльный пузырь. Объясните, почему мыльный пузырь, отделенный от трубочки, имеет шарообразную форму.

5. Сконструируйте картезианский водолаз , пользуясь пластиковой бутылкой или 3-х литровой банкой с пластиковой крышкой. Поплавок изготовьте из обычного прозрачного пузырька, например из-под пенициллина, заполнив его водой более чем на 1/3 объема. В пробке пузырька сделайте шилом отверстие и в него плотно вставьте трубочку длиной 10мм от стержня шариковой ручки. Можно взять пипетку и наполнить её водой так, чтобы она плавала вертикально, практически полностью погрузившись в воду. После наполнения бутылки (банки) водой опустите в нее поплавок. При нажатии на крышку банки или нажиме на бутылку поплавок опускается. Проследите за объемом воды в поплавке при его погружении и подъеме. Поплавок можно изготовить из колпачка от фломастера или от шариковой ручки. Чтобы колпачок плавал вертикально, вставьте в него несколько скрепок. Можно из фольги сделать "пропеллер" и надеть его на колпачок, тогда водолаз будет опускаться и подниматься, вращаясь.

6. Зажженную свечу или бумагу подержите внутри стакана, перевернутого вверх дном. Затем быстро поставьте стакан также вверх дном на поверхность надутого воздушного шарика. Опишите наблюдаемые явления.

Заключение.

Таким образом если учителя будут применять домашние экспериментальные задания в своей работе, то это положительно скажется на процессе обучения школьников физике и на их общем развитии, результатом обучения будет развитие разностороннего, оригинального, не скованного узкими рамками мышления. А - это путь к развитию высокой интеллектуальной активности обучаемых.. Учащиеся смогут не только по-настоящему понять многие процессы, происходящие вокруг него, но главное - применять полученные знания и опыт в своей жизни.

Список литературы.

Избранное. - Челябинск: ЧГПУ, 2000. . Активизация познавательной деятельности учащихся при изучении физики. - Москва: Просвещение, 1983. . Активизация мышления учащихся на уроках физики. - Москва: Просвещение, 1980. Методика преподавания физики в 7-8 классах средней школы . // Под ред. . - Москва: Просвещение, 1990. Ресурсы Интернет.

Разделов физики существует несколько, поэтому и ученых - в несколько раз больше, чем в других науках. Можно заниматься теоретической физикой, экспериментальной, или прикладной. Все зависит от желания ученого и его знаний.

Пару слов об экспериментальной физике. Почему она так называется? Связана ли она с проведением экспериментов? Конечно, да. Это некий способ изучения и познания природы, который заключается в процессе изучения различных природных явлений в условиях, которые заранее специально приготовлены и подготовлены. Самым главным отличием от теоретической физики является то, что экспериментальная физика занимается исследованием не математических моделей природы, как это делает теоретическая физика, а самой природы, ее сущности.

Подобно тому как адвокат в арбитражном процессе может запросто изменить ход всего процесса, если у него есть специальные знания, так и простое несогласие с полученным результатом эксперимента будет главным критерием ошибки теории физики. Другими словами, просто неприменимой к нашему миру. Но утверждение, которое будет обратным этому, тем не менее, не будет верно: если ученый согласен с экспериментов, это не будет доказательством правильности данной теории, а также ее применения. Итак, самый главный критерий жизнеспособности теории физики - это проверка его экспериментом. Вот для этого и нужна экспериментальная физика.

Казалось бы, роль эксперимента более чем очевидна. Но она была открыта лишь Галилеем и исследователями, которые работал после него. Именно они делали свои выводы о характеристиках мира, основываясь на своих наблюдениях за поведением различных предметов в специально созданных условиях. Другими словами, они проводили эксперименты. Кстати, такой подход является полностью противоположным подходу греков: те считали, что их размышления об устройстве мира являются верными и правильными, а опыт считался всего лишь подтвержденным обманом, то есть не мог претендовать на получение истинного знания.

В самом идеальном варианте экспериментальная физика обязана давать лишь подробные описания экспериментов и их результатов, без их интерпретации. Но на практике это нереально. Ведь ученые имеют представления о том, как ведут себя те или иные предметы, то есть эти представления опираются на интерпретацию полученных результатов.

Итак, экспериментальная физика является не только очень важной частью общей физики, но и довольно-таки интересной, потому что наблюдения за поведениями различных предметов в разных искусственных условиях вызывают интерес не только у ученых, но и у обычных людей.

Десятки и сотни тысяч физических экспериментов было поставлено за тысячелетнюю историю науки. Непросто отобрать несколько "самых-самых", чтобы рассказать о них. Каков должен быть критерий отбора?

Четыре года назад в газете "The New York Times" была опубликована статья Роберта Криза и Стони Бука. В ней рассказывалось о результатах опроса, проведенного среди физиков. Каждый опрошенный должен был назвать десять самых красивых за всю историю физических экспериментов. На наш взгляд, критерий красоты ничем не уступает другим критериям. Поэтому мы расскажем об экспериментах, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука.

1. Эксперимент Эратосфена Киренского

Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эрастофеном Киренским.

Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет примерно 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров.

Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.

2. Эксперимент Галилео Галилея

В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это.

Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту. Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения.

Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова. Результаты, полученные Галилеем. - следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально массе.

3. Другой эксперимент Галилео Галилея

Галилей замерял расстояние, которое шары, катящиеся по наклонной доске, преодолевали за равные промежутки времени, измеренный автором опыта по водяным часам. Ученый выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше. Эта квадратичная зависимость означала, что шары под действием силы тяжести движутся ускоренно, что противоречило принимаемому на веру в течение 2000 лет утверждению Аристотеля о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, тогда как если сила не приложена к телу, то оно покоится.

Результаты этого эксперимента Галилея, как и результаты его эксперимента с Пизанской башней, в дальнейшем послужили основой для формулирования законов классической механики.

4. Эксперимент Генри Кавендиша

После того как Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: сила притяжения между двумя телами с массами Мит, удаленных друг от друга на расстояние r, равна F=G(mM/r2), оставалось определить значение гравитационной постоянной G. Для этого нужно было измерить силу притяжения между двумя телами с известными массами. Сделать это не так просто, потому что сила притяжения очень мала.

Мы ощущаем силу притяжения Земли. Но почувствовать притяжение даже очень большой оказавшейся поблизости горы невозможно, поскольку оно очень слабо. Нужен был очень тонкий и чувствительный метод. Его придумал и применил в 1798 году соотечественник Ньютона Генри Кавендиш. Он использовал крутильные весы - коромысло с двумя шариками, подвешенное на очень тонком шнурке. Кавендиш измерял смещение коромысла (поворот) при приближении к шарикам весов других шаров большей массы.

Для увеличения чувствительности смещение определялось по световым зайчикам, отраженным от зеркал, закрепленных на шарах коромысла. В результате этого эксперимента Кавендишу удалось довольно точно определить значение гравитационной константы и впервые вычислить массу Земли.

5. Эксперимент Жана Бернара Фуко

Французский физик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 году экспериментально доказал вращение Земли вокруг своей оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Плоскость качания маятника сохраняет неизменное положение по отношению к звездам. Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней, видит, что плоскость вращения медленно поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли.

6. Эксперимент Исаака Ньютона

В 1672 году Исаак Ньютон проделал простой эксперимент, который описан во всех школьных учебниках. Затворив ставни, он проделал в них небольшое отверстие, сквозь которое проходил солнечный луч. На пути луча была поставлена призма, а за призмой - экран.

На экране Ньютон наблюдал "радугу": белый солнечный луч, пройдя через призму, превратился в несколько цветных лучей - от фиолетового до красного. Это явление называется дисперсией света. Сэр Исаак был не первым, наблюдавшим это явление. Уже в начале нашей эры было известно, что большие монокристаллы природного происхождения обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой еще до Ньютона выполнили англичанин Хариот и чешский естествоиспытатель Марци.

Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались серьезному анализу, а делавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. И Хариот, и Марци оставались последователями Аристотеля, который утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, "примешиваемой" к белому свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный - при наименьшем. Ньютон же проделал допол¬нительные опыты со скрещенными призмами, когда свет, пропущенный через одну призму, проходит затем через другую. На основании совокупности проделанных опытов он сделал вывод о том, что "никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета". Он показал, что белый свет нужно рассматривать как составной. Основными же являются цвета от фиолетового до красного. Этот эксперимент Ньютона служит замечательным примером того, как разные люди, наблюдая одно и то же явление, интерпретируют его по-разному и только те, кто подвергает сомнению свою интерпретацию и ставит дополнительные опыты, приходят к правильным выводам.

7. Эксперимент Томаса Юнга

До начала XIX века преобладали представления о корпускулярной природе света. Свет считали состоящим из отдельных частиц - корпускул. Хотя явления дифракции и интерференции света наблюдал еще Ньютон ("кольца Ньютона"), общепринятая точка зрения оставалась корпускулярной. Рассматривая волны на поверхности воды от двух брошенных камней, можно заметить, как, накладываясь друг на друга, волны могут интерферировать, то есть взаимогасить либо взаимоусиливать друг друга. Основываясь на этом, английский физик и врач Томас Юнг проделал в 1801 году опыты с лучом света, который проходил через два отверстия в непрозрачном экране, образуя, таким образом, два независимых источника света, аналогичных двум брошенным в воду камням. В результате он наблюдал интерференционную картину, состоящую из чередующихся темных и белых полос, которая не могла бы образоваться, если бы свет состоял из корпускул. Темные полосы соответствовали зонам, где световые волны от двух щелей гасят друг друга. Светлые полосы возникали там, где световые волны взаимоусиливались. Таким образом была доказана волновая природа света.

8. Эксперимент Клауса Йонссона

Немецкий физик Клаус Йонссон провел в 1961 году эксперимент, подобный эксперименту Томаса Юнга по интерференции света. Разница состояла в том, что вместо лучей света Йонссон использовал пучки электронов. Он получил интерференционную картину, аналогичную той, что Юнг наблюдал для световых волн. Это подтвердило правильность положений квантовой механики о смешанной корпускулярно-волновой природе элементарных частиц.

9. Эксперимент Роберта Милликена

Представление о том, что электрический заряд любого тела дискретен (то есть состоит из большего или меньшего набора элементарных зарядов, которые уже не подвержены дроблению), возникло еще в начале XIX века и поддерживалось такими известными физиками, как М.Фарадей и Г.Гельмгольц. В теорию был введен термин "электрон", обозначавший некую частицу - носитель элементарного электрического заряда. Этот термин, однако, был в то время чисто формальным, поскольку ни сама частица, ни связанный с ней элементарный электрический заряд не были обнаружены экспериментально.

В 1895 году К.Рентген во время экспериментов с разрядной трубкой обнаружил, что ее анод под действием летящих из катода лучей способен излучать свои, Х-лучи, или лучи Рентгена. В том же году французский физик Ж.Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи - это поток отрицательно заряженных частиц. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, электрон оставался гипотетической частицей, поскольку не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны. Американский физик Роберт Милликен разработал метод, ставший классическим примером изящного физического эксперимента.

Милликену удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между пластинами конденсатора. Освещая рентгеновскими лучами, можно было слегка ионизировать воздух между пластинами и изменять заряд капель. При включенном поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического притяжения. При выключенном поле она опускалась под действием гравитации. Включая и выключая поле, можно было изучать каждую из взвешенных между пластинами капелек в течение 45 секунд, после чего они испарялись. К 1909 году удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине е (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой частицы с одинаковыми зарядом и массой. Заменив капельки воды капельками масла, Милликен получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа и в 1913 году, исключив один за другим возможные источники погрешностей, опубликовал первое измеренное значение заряда электрона: е = (4,774 ± 0,009)х10-10 электростатических единиц.

10. Эксперимент Эрнста Резерфорда

К началу XX века стало понятно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и какого-то положительного заряда, благодаря которому атом остается в целом нейтральным. Однако предположений о том, как выглядит эта "положительно-отрицательная" система, было слишком много, в то время как экспериментальных данных, которые позволили бы сделать выбор в пользу той или иной модели, явно недоставало.

Большинство физиков приняли модель Дж.Дж.Томсона: атом как равномерно заряженный положительный шар диаметром примерно 10-8см с плавающими внутри отрицательными электронами. В 1909 году Эрнст Резерфорд (ему помогали Ганс Гейгер и Эрнст Марсден) поставил эксперимент, чтобы понять действительную структуру атома. В этом эксперименте тяжелые положительно заряженные а-частицы, движущиеся со скоростью 20 км/с, проходили через тонкую золотую фольгу и рассеивались на атомах золота, отклоняясь от первоначального направления движения. Чтобы определить степень отклонения, Гейгер и Марсден должны были с помощью микроскопа наблюдать вспышки на пластине сцинтиллятора, возникавшие там, где в пластину попадала а-частица. За два года было сосчитано около миллиона вспышек и доказано, что примерно одна частица на 8000 в результате рассеяния изменяет направление движения более чем на 90° (то есть поворачивает назад). Такого никак не могло происходить в "рыхлом" атоме Томсона. Результаты однозначно свидетельствовали в пользу так называемой планетарной модели атома - массивное крохотное ядро размерами примерно 10-13 см и электроны, вращающиеся вокруг этого ядра на расстоянии около 10-8 см.