Физика без преград. Увлекательные научные факты, истории, эксперименты

В первой трети XVIII века английский ученый Стивен Грей (1666–1736) установил, что некоторые материалы способны не только «электризоваться», но и передавать полученный заряд на довольно большое расстояние. Так было открыто явление проводимости. Кроме того, Грей обратил внимание, что некоторые вещества этой способностью не обладают – таким образом, в науку были введены понятия проводника и изолятора.

Ярким проявлением электричества в природе служат молнии, электрическая природа которых была установлена в XVIII веке.

Французский естествоиспытатель Шарль Франсуа Дюфе (1698–1739) заметил, что иногда наэлектризованные предметы притягиваются друг к другу, а иногда – отталкиваются: так возникло представление о положительных и отрицательных зарядах.

Блаженство тела – в здоровье, блаженство ума – в знании. – Фалес Милетский

№ 12

Банки и столбы: сохранить электрический заряд!

В середине XVIII столетия исследования электричества шли во многих странах. Голландец Питер ван Мушенбрук (1692–1761) создал «лейденскую банку», способную накапливать электрический заряд, порождаемый трением. В России опыты с атмосферным электричеством проводили Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) и Георг Рихман (1711–1753) – погибший от удара молнии при попытке «поймать» ее.

В 1800 году итальянский ученый Алессандро Вольта (1745–1827) предположил, что вещества могут являться не только проводниками, но и источниками тока, и создал первый в мире генератор: кружочки, изготовленные из двух разных металлов, складывались стопкой и переслаивались тканью или бумагой, пропитанными соленой водой либо солевым раствором. Если исследователь касался проволоки, соединявшей два конца «вольтова столба», он ощущал чувствительное покалывание. То есть химическая энергия превращалась в электрическую!

«Вольтов столб»

Алессандро Вольта

В начале XIX столетия появились первые исследования, заявившие о связи электричества и магнетизма: например, стрелка компаса отклонялась, когда рядом с ней замыкали цепь «вольтова столба». В 1820 году французский ученый Андре-Мари Ампер (1775–1836) доказал: интенсивность магнитного действия связана с интенсивностью электричества, и ввел понятия «электрический ток» и «сила тока». Суть электрического тока в том, что по проводнику от источника в сторону «потребителя тока» движется поток неких заряженных частиц.

Единица этой силы в честь исследователя была названа ампером.

Единица измерения электрического напряжения именуется «Вольт» – в знак признания заслуг Алессандро Вольты

№ 13

Поле, электромагнитное поле… Что это такое?

На протяжении многих лет исследователи наблюдали в лабораториях возникновение магнитного поля вследствие «работы» электричества. Но можно ли пойти по другому пути – получить электричество путем создания магнитного поля?

В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей (1791–1867) доказал, что это возможно. Расположив проволоку между полюсами магнита, ученый наблюдал, как при приближении проволоки к полюсам в ней возникает ток. Он стал основоположником учения об электромагнитном поле: суть его в том, что магнетизм и электричество не только способны порождать друг друга, но и в целом представляют собой единую сущность, по-разному проявляющуюся в разных условиях. Чуть позже земляк Фарадея Джеймс Клерк Максвелл придал этим теориям завершенность, подробно описав большинство процессов в виде уравнений и формул.

Электромагнитное поле

№ 14

В нем есть изюминка! Джон Томсон о строении атома

Как уже говорилось выше, понятие «атом» существовало еще в Древней Греции, но идеи Демокрита, введшего в оборот этот термин, тогда не получили развития.

Михаил Васильевич Ломоносов писал, что любое вещество состоит из корпускул (так он именовал молекулы) и элементов (то есть атомов). Он также высказал предположение о том, что частицы находятся в «коловратном», то есть вращательном, движении.

В конце XIX века английский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940) заявил: атом не является наименьшей частицей вещества, как считалось ранее. Он выделил в составе атома еще более мелкие составляющие, которые получили название электронов. По мнению Томсона, отрицательно заряженные электроны располагаются в атоме, обладающем положительным зарядом, примерно так же, как изюминки в кексе.

Электроны

№ 15

В поисках ядер. Открытие Эрнеста Резерфорда

Эрнеста Резерфорда (1871–1937) именуют «отцом ядерной физики». Однажды он провел показательный опыт: направил поток радиоактивных альфа-частиц на лист золотой фольги. Результат оказался неожиданным: некоторые частицы отскакивали от листа; это явно свидетельствовало, что атомы не столь однородны, как ученые думали ранее.

Теория «кекса с изюмом» потерпела поражение: стало понятно, что внутри атома есть не только равномерно распределенные в нем электроны-«изюминки», но и некое плотное вещество – Резерфорд назвал его ядром. Ядро несет положительный заряд, тогда как электроны заряжены отрицательно. Они вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Поэтому новая модель атома была названа «планетарной». На этом исследования атома не завершились: они вышли на новый уровень.

«Планетарная» модель атома

№ 16

Все относительно. Теория Альберта Эйнштейна

В начале ХХ столетия благодаря Альберту Эйнштейну (1879–1955) произошла очередная революция в науке: устоявшаяся картина мира, в которой время во всей Вселенной текло одинаково и пространство также измерялось по общим законам, претерпела значительные изменения.

Эйнштейн заявил: все относительно, пространство и время неразрывно связаны со скоростью. Чем быстрее вы будете двигаться, тем медленнее будет для вас тянуться время! Таким образом, космонавт, путешествовавший во Вселенной со скоростью, приближающейся к скорости света, по возвращении на землю будет моложе, чем его брат-близнец. Почему именно скорость света стала в теории относительности «точкой отсчета»? Установлено, что она одинакова в любой системе координат.

Получается, что если нам удастся достигнуть скорости, равной скорости света, то время для нас остановится совсем, а если превысить эту скорость, то оно повернет вспять! Насколько это реально?

E = mc

Ответить на этот вопрос поможет самая известная в мире формула, также введенная в научный оборот Эйнштейном: E = mc

, где Е – энергия движущегося объекта, m – его масса, а с – скорость света в вакууме. То есть чем быстрее движется объект, тем тяжелее он будет. Соответственно, энергия Е, необходимая для того, чтобы обеспечить движение, тоже будет возрастать. При достижении скорости света масса станет бесконечной и потребуется столь же бесконечная энергия. Следовательно, двигаться со скоростью света может только сам свет, так как массы он не имеет.

Основы теории относительности были изложены в статье Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», вышедшей в 1905 году

Физика макромира

№ 17

Приливы, отливы… Что их вызывает?

И Солнце, и Луна воздействуют на все находящееся на Земле согласно ньютоновскому закону всемирного тяготения. Чем ближе к небесному телу участок земной поверхности, тем сильнее действует на нем сила притяжения. Соответственно, на этом участке вода как бы «стремится» к Солнцу либо Луне и начинается прилив. На той стороне нашей планеты, которая в это время максимально удалена, соответственно, в это время идет отлив.

«Солнечный» и «лунный» приливы могут совпадать или не совпадать (в зависимости от расположения Луны и Солнца): в случае совпадения прилив получается наиболее высоким. Как ни странно, Луна, несмотря на свои небольшие размеры, оказывает большее влияние, чем Солнце, – ведь она находится ближе к Земле!

Высота прилива – величина непостоянная

№ 18

Маятник Фуко: и все – таки земля вертится!

В 1851 году в здании Пантеона в Париже появилось необычное сооружение. Член Парижской Академии наук, физик Жан Бернар Леон Фуко (1819–1868) подвесил к конструкциям купола маятник заостренной формы весом 28 килограммов. На пол был насыпан песок, а длину проволоки, на которой маятник был подвешен (67 метров), рассчитали так, чтобы острие оставляло на песке следы. Одно колебание маятник совершал за 16 секунд; было видно, что каждый новый след на песке смещается почти на 3 миллиметра по сравнению с предыдущим. Таким образом, плоскость колебания поворачивалась в сторону, противоположную направлению вращения Земли. Но маятник совершал движения только в одной плоскости! Значит, поворачивался не он, а начерченный на полу круг – поворачивался вместе с планетой Земля.

Свет не имеет массы, но имеет вес. Это значит, что свет можно изогнуть под действием силы тяжести.

№ 19

Масса и вес: в чем разница?