Помоги проекту - поделись книгой:
«ФИЗИЧЕСКИЕ ТЕЛА»
«
Книга 1
(Издание четвертое, исправленное и дополненное)
Предисловие к четвертому изданию
После многих лет я решил возвратиться к неоконченной книге «Физика для всех», написанной мною с Дау, — так называли друзья замечательного ученого и обаятельного человека академика
Эта книга была уж очень «совместной». Очень долго мне было трудно взяться за ее продолжение. Многие читатели упрекали меня в этом в своих письмах. И вот теперь на их суд выносится новое издание «Физики для всех», которое разбито на четыре небольших книги. Я дал им названия: «Физические тела», «Молекулы», «Электроны» и «Фотоны и ядра». Разбиение произведено, так сказать, по глубине проникновения в строение вещества. Эти четыре книги охватывают все основные законы физики. Возможно, что есть смысл продолжить «Физику для всех», посвятив следующие ее выпуски фундаменту разных областей естествознания и техники.
Две первые книги представляют собой лишь незначительно переработанную, но кое-где существенно дополненную прежнюю книгу. Последние две книги написаны мною.
Я прекрасно сознаю, что внимательный читатель почувствует различие между ними. Однако общие принципы изложения материала, которых мы придерживались с Дау, сохранены. Это дедуктивность изложения, следование логике предмета, а не истории его развития. Мы полагали полезным беседовать с читателем простым, житейским языком, не бояться юмора. И еще одно: мы не жалели читателя. Если хочешь понять книгу, то многие страницы надо прочесть не раз и не два и как следует задуматься над прочитанным.
Что же касается отличия новых книг от старой, то оно заключается в следующем. Когда писалась прежняя книга, то авторы подходили к ней, как к «первой» книге по физике, и даже полагали, что она может конкурировать со школьным учебником. Но читательские отклики и опыт преподавателей физики показали, что дело обстоит не так. Круг читателей составили учителя, инженеры, школьники, которые желали сделать физику своей профессией. Оказалось, что никто не рассматривает «Физику для всех» как книгу учебную. К ней относятся, как к книге научно-популярной, расширяющей школьные знания, останавливающей зачастую внимание на том, что по тем или иным причинам не включается в программы.
Естественно, полагая, что мой читатель более или менее знаком с физикой, я почувствовал себя более свободным в выборе тем и счел возможным прибегнуть к более разговорному стилю.
Текст первой книги подвергся минимальным изменениям. Это в основном первая половина «Физики для всех»
Поскольку разговор о физике начинается с тех явлений, которые не требуют знания строения вещества, естественно назвать первую книгу «Физические тела».
Конечно, можно было бы озаглавить эти страницы, как это обычно принято, словом «механика», то есть наука о движении. Но ведь учение о теплоте, о котором пойдет речь в следующей книге, также есть наука о движении…, но только не видимых глазу тел — молекул и атомов. Так что выбранное название представляется мне более удачным.
Первая книга в основном посвящена учению о законах движения и гравитационного тяготения, которые навечно останутся фундаментом физики, а значит, и всего естествознания.
Глава 1
Основные понятия
Всем приходится измерять длину, отсчитывать время и взвешивать равные тела. Поэтому все хорошо знают, что такое сантиметр, секунда и грамм. Но для физика эти измерения особенно важны — они необходимы для суждения о большинстве физических явлений. Расстояние, промежутки времени и масса, называемые основными понятиями в физике, люди стремятся измерять как можно точнее.
Современные физические приборы позволяют определить различие в длине двух метровых стержней, даже если оно меньше одной миллиардной доли метра. Можно отличить промежутки времени, различающиеся на одну миллионную долю секунды. Хорошие весы с очень большой точностью установят массу макового зернышка.
Техника измерений начала развиваться всего несколько сот лет назад, и относительно совсем недавно условились о том, отрезок какой длины и массу какого тела принять за единицу.
Почему же сантиметр и секунда были выбраны такими, какими мы их знаем? Ведь ясно, что особого значения не имеет, будет ли сантиметр или секунда длиннее.
Единица измерения должна быть удобной — больше никаких требований мы к ней не предъявляем. Очень хорошо, если единица измерений есть под руками. А проще всего взять за единицу измерения саму руку. Именно таким способом и поступали в древние времена; об этом свидетельствуют сами названия единиц, например «локоть» — расстояние от локтя до копчиков пальцев вытянутой руки, дюйм — ширина большого пальца у его основания. Для измерения использовали и ногу — отсюда название длины «фут» — длина ступни (по английски
Хотя эти единицы измерения весьма удобны тем, что они всегда при себе, но недостатки их очевидны: слишком уж отличаются друг от друга люди, чтобы рука или нога могли служить не вызывающей споров единицей измерения.
С развитием торговли возникла необходимость договориться о единицах измерения. Сначала внутри отдельного рынка, затем для города, потом для всей страны и, наконец, для всего мира устанавливаются эталоны длины и массы. Эталон — это образцовая мера: линейка, гиря. Государство тщательно хранит эталоны, и другие линейки и гири должны изготавливаться в точном соответствии с эталонами.
В царской России основные меры веса и длины — они назывались фунт и аршин — были впервые изготовлены в 1747 г. В XIX в. требования к точности измерений возросли, и эти эталоны оказались несовершенными. Сложная и ответственная работа по созданию точных эталонов была выполнена в 1893–1898 гг. под руководством Дмитрия Ивановича Менделеева. Великий химик придавал большое значение установлению точных мер. По его почину в конце XIX в. была создана Главная палата мер и весов, где хранились эталоны и изготовлялись их копии.
Одни расстояния выражают в больших единицах, другие — в более мелких. В самом деле, не станем же мы выражать расстояние от Москвы до Ленинграда в сантиметрах и массу железнодорожного состава — в граммах. Поэтому люди условились об определенном соотношении крупных и мелких единиц. Как всем известно, в той системе единиц, которой мы пользуемся, крупные единицы отличаются от мелких в 10, 100, 1000 и вообще в любую степень от десяти раз. Такое условие очень удобно и упрощает все вычисления.
Однако такая удобная система принята не во всех странах. В Англии и США до сих пор редко пользуются метром, сантиметром и километром, а также граммом и килограммом[1], несмотря на очевидность удобств метрической системы.
В XVII столетни возникла мысль выбрать такой эталон, который существует в природе и не изменяется с годами и веками. В 1664 г. Христиан Гюйгенс предложил за единицу длины принять длину маятника, совершающего одно колебание в секунду. Примерно через сто лет, в 1771 г., было предложено считать эталоном длину пути, который проходит в секунду свободно падающее тело. Однако оба варианта оказались неудобными и не были приняты. Понадобилась революция для того, чтобы появились современные меры, — килограмм и метр, рожденные Великой французской революцией.
В 1790 г. Учредительное собрание создало для выработки единых мер специальную комиссию, в которую входили лучшие физики и математики. Ив всех предложенных вариантов единицы длины комиссия выбрала одну десятимиллионную долю четверти земного меридиана и дала этой единице название «метр». В 1799 г. был изготовлен эталон метра и отдан на хранение в архив Республики.
Вскоре, однако, стало ясно, что отвлеченно правильная мысль о целесообразности выбора образцовых мер, заимствованных из природы, не осуществима в полной мере. Более точные измерения, проведенные в XIX веке, показали, что изготовленный эталон метра приблизительно на 0,08 миллиметра короче одной сорокамиллионной части земного меридиана. Стало очевидно, что по мере развития измерительной техники будут вноситься новые поправки. Сохраняя определение метра как части земного меридиана, пришлось бы после каждого нового измерения меридиана изготовлять новые эталоны и пересчитывать заново все длины. Поэтому после обсуждения на международных съездах в 1870, 1872 и 1875 гг. было решено считать единицей длины не одну сорокамиллионную часть меридиана, а эталон метра, изготовленный в 1799 г. и хранящийся теперь в Международном бюро мер и весов в Севре.
Вместе с метром возникли и его доли: одна тысячная, называемая миллиметром, одна миллионная, называемая микроном, и наиболее часто употребляемая, одна сотая — сантиметр.
Теперь стажем несколько слов о секунде. Она много старше сантиметра. При установлении единицы измерения времени не было никаких разногласий. — Это и понятно: смена дня и ночи, вечный круговорот Солнца подсказывают естественный способ выбора единицы времени. Каждому хорошо известно выражение; «определить время по Солнцу». Высоко стоит Солнце в небе, значит — полдень, и нетрудно, измеряя длину тени, отбрасываемой шестом, установить то мгновение, когда оно находится в самой высокой точке. На следующий день тем же способом можно отметить то же мгновение. Истекший промежуток времени составляет сутки. А дальше остается лишь поделить сутки на часы, минуты и секунды.
Большие единицы измерения — год и сутки — дала нам сама природа. Но час, минута и секунда придуманы человеком.
Современное деление суток восходит к глубокой древности. В Вавилоне была распространена не десятичная, а шестидесятиричная система счисления. Шестьдесят делится на 12 без остатка, отсюда у вавилонян деление суток на 12 равных частей.
В Древнем Египте было введено деление суток на 24 часа. Позднее появились минуты и секунды. То, что в часе 60 минут, а в минуте 60 секунд — также наследие шестидесятиричной системы Вавилона.
В древние и средние века время измеряли при помощи солнечных часов, водяных часов (по времени вытекания воды из больших сосудов) и ряда других хитроумных, но весьма неточных приспособлений.
При помощи современных часов легко убедиться, что сутки в разное время года не совсем одинаковы. Поэтому условились принять за единицу измерения времени средние за год солнечные сутки. Одна двадцать четвертая часть этого среднего за год промежутка времени и называется часом.
Но, устанавливая единицы времени — час, минуту, секунду — делением суток на равные доли, мы предполагаем, что Земля вращается равномерно. Однако океанские лунно-солнечные приливы, хотя и в ничтожной степени, замедляют вращение Земли. Значит, наша единица времени — сутки — непрестанно удлиняется.
Это замедление вращения Земли так незначительно, что его удалось непосредственно измерить лишь недавно, с изобретением атомных часов, измеряющих промежутки времени с огромней точностью — до миллионной доли секунды. Изменение суток достигает 1–2 миллисекунд за 100 лет.
Но эталон, если это возможно, должен исключить даже такую незначительную ошибку. Мы рассказали на стр. 16, как это теперь принято делать.
Вес — это сила, с которой тело притягивается Землей. Эту силу можно измерить пружинными весами. Чем больше весит тело, тем больше растягивается пружина, на которой оно подвешено. При помощи гири, принятой за единицу, пружину можно проградуировать — сделать отметки, которые укажут, насколько пружина растянулась под действием гири в один килограмм, два, три и т. д. Если после этого на такие весы подвесить тело, то по растяжению пружины удастся найти силу притяжения его Землей. (рис. 1.1,
Проградуированная пружина служит для измерения не только силы земного притяжения, т. е. веса, но и других сил. Такой прибор называется динамометр, что значит измеритель сил. Многие видели, как динамометр используется для измерения мускульной силы человека. Силу тяги мотора также удобно измерять растягивающейся пружиной (рис. 1.2).
Вес тела — очень важное его свойство. Однако вес зависит не только от самого тела. Ведь его притягивает Земля. А если бы мы были на Луне? Очевидно, вес был бы другой — примерно в 6 раз меньше, как показывают расчеты. Да и на Земле вес различен на разных земных широтах. На полюсе, например, тело весит на 0,5 % больше, чем на экваторе.
Однако при всей своей изменчивости вес обладает замечательной особенностью — отношение весов двух тел в одной и той же точке Земли в любых условиях, как показывает опыт, остается неизменным. Если два разных груза на полюсе растягивают пружину одинаково, то эта одинаковость в точности сохраняется и на экваторе.
При измерении веса путем сравнения его с весом эталона находим новое свойство тел, которое называется массой.
Физический смысл этого нового понятия — массы — теснейшим образом связан с той одинаковостью при сравнении веса, которую мы только что отметили.
В отличие от веса масса является неизменным свойством тела, не зависящим ни от чего, кроме как от этого тела.
Сравнение весов, т. е. измерение массы, удобнее всего производить при помощи обычных рычажных весов (рис. 1.3).
Мы говорим, что массы двух тел равны, если рычажные весы, на обе чашки которых положены эти тела, строго уравновешены. Если груз взвешен на рычажных весах на экваторе, а затем груз и гири перенесены на полюс, то и груз и гири изменяют свой вес одинаково. Взвешивание на полюсе даст поэтому тот же результат: весы останутся уравновешенными.
Мы можем отправиться за проверкой этого положения и на Луну. Так как и там отношение весов тел не изменяется, то груз, положенный на рычажные весы, уравновесится теми же гирями. Масса тела одна и та же, где бы это тело ни находилось.
Единицы и массы и веса связаны с выбором эталонной гири. Точно так же, как в истории с метром и секундой, люди пытались найти естественный эталон массы. Та же комиссия изготовила из определенного сплава гирю, которая на рычажных весах уравновешивала один кубический дециметр воды при четырех градусах Цельсия[2]. Этот эталон и получил название килограмма.
Позднее, однако, выяснилось, что «взять» один кубический дециметр воды не так-то просто. Во-первых, дециметр, как доля метра, изменялся вместе с уточнением эталона метра. Во-вторых, какой должна быть вода? Химически чистой? Дважды дистиллированной? Без следов воздуха? А как быть с примесями «тяжелой воды»? И в довершение всех бед точность измерения объема заметно меньше точности взвешивания.
Пришлось опять отказаться от естественной единицы и принять за меру массы массу специально изготовленной гири. Эта гиря также хранится в Париже вместе с эталоном метра.
Для измерения массы широко применяются тысячные и миллионные доли килограмма — грамм и миллиграмм. X и XI Генеральные конференции по мерам и весам разработали, а затем большинство стран утвердило в качестве государственных стандартов новую, интернациональную систему единиц СИ. В новой системе название килограмм (кг) сохранилось за массой.
Всякая сила, в том числе, конечно, и вес, в новой системе измеряется в ньютонах (Н). Почему эта единица так названа и каково ее определение, мы узнаем несколько позже.
Новая система безусловно не сразу и не везде найдет себе применение, а поэтому нам пока полезно запомнить, что килограмм массы (кг) и килограмм силы (кгс) — это единицы разных физических величин, и производить с ними арифметические действия нельзя. Написать 5 кг + 2 кгс так же бессмысленно, как складывать метры с секундами.
Если эта книга является вашей первой книгой по физике, то тогда отложите, пожалуйста, чтение этого параграфа. Начали мы по старинке — с самого простого. Действительно, уж что может быть проще измерений расстояний, промежутков времени и массы. Просто? Раньше действительно было просто, но не теперь. В настоящее время техника измерений длины, времени, массы требует знаний всей физики, и явления, о которых мы сейчас будем говорить более или менее детально, разобраны лить в четвертой части нашего сочинения.
Система СИ (система интернациональная) была принята в 1960 г. Медленно, очень медленно, но тем не менее — верно, она завоевывает свое признание. И сейчас, когда пишутся эти строки (в преддверии нового 1977 г.), все же чаще пользуются старыми «проверенными» единицами. Если вы спросите у водителя автомашины, какой мощности у нее мотор, то он, как и раньше, ответит — 100 лошадиных сил, вместо того, чтобы сказать 74 киловатта.
Вероятно, должна смениться пара поколений, исчезнуть с книжного рынка книги, авторы которых не хотели признать СИ, и только тогда эта система решительно вытеснит все остальные.
Система СИ базируется на семи единицах: метре, килограмме, секунде, моле, ампере, кельвине и канделе.
Сейчас я хочу поговорить о первых четырех единицах, имея целью не сообщение читателю деталей измерений соответствующих физических величин, а указание на знаменательную общую тенденцию. Она состоит в том, чтобы отказаться от материальных эталонов, а на их место ввести природные константы, значения которых не должны зависеть от экспериментальных устройств и которые (по крайней мере с точки зрения современной физики) не должны меняться со временем.
Начнем с определения метра. В спектре изотопа 86 атомов криптона имеется сильная спектральная линия. Методами, о которых рассказано далее, каждая спектральная линия характеризуется исходным и конечным энергетическими уровнями. Речь идет о переходе с уровня 5d5 на уровень 2p10. Метр равен длине 1 650 763,73 волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона-86. Эту длину волны света можно измерить с точностью не большей, чем ±4∙10-9. Поэтому добавлять еще одну значащую цифру к написанному выше девятизначному числу не имеет смысла.
Мы видим, что данное определение никак не связывает нас с материальным эталоном. Нет также основания ожидать, что длина волны светового характеристического излучения меняется с веками. Так что цель достигнута.
Все это хорошо, скажет читатель. А как прокалибровать с помощью такого невещественного эталона обычную вещественную линейку? Физика умеет это делать с помощью техники интерференционных измерений, о которой рассказано в
Имеются все основания полагать, что это определение потерпит в ближайшее время изменение. Дело в том, что с помощью лазера (например гелий-неонового лазера, стабилизированного парами йода) можно добиться измерения длины волны с точностью 10-11—10-12. Не исключено, что окажется целесообразным выбрать в качестве невещественного эталона другую спектральную линию.
Совершенно аналогичным образом определяется секунда. Используется переход между двумя близкими энергетическими уровнями атома цезия. Величина, обратная частоте этого перехода, дает время, затраченное на совершение одного колебания. Одна секунда принимается равной 9 192 631 770 периодам этих колебаний. Поскольку колебания лежат в микроволновой области, то, используя прием деления частоты, можно радиотехническими устройствами прокалибровать любые часы. Этот способ измерения дает ошибку в одну секунду по прошествии 300 000 лет.
Метрологи ставят перед собой цель — сделать так, чтобы один и тот же энергетический переход можно было бы использовать как для определения единицы длины (выраженной в числе длин волн), так и единицы времени (выраженной в числах периодов колебаний).
В 1973 г. било показано, что эта задача решается. Точные измерения были проведены с помощью гелий-неонового лазера, стабилизированного метаном. Длина волны равнялась 3,39 миллимикрон, а частота 88∙10-12 секунд в минус первой степени. Измерения были проведены настолько точно, что перемножив эти два числа, получили для скорости света в пустоте величину 299 792 458 метров в секунду с точностью в 4 миллиардных доли.
На фоне этих блестящих достижений и еще более далеко идущих перспектив точность измерения массы оставляет желать лучшего. Вещественный килограмм продолжает, к сожалению, жить. Весы, правда, совершенствуются, но все же точность измерения в одну миллиардную долю удается достигнуть лишь в редких случаях, и то лишь при сравнении масс двух тел.
Точность измерения массы в граммах и точность измерения гравитационной постоянной в законе тяготения не превосходит 10-5.
В 1971 г. XIV Генеральная конференция по мерам и весам ввела в систему СИ новую единицу — единицу количества вещества, называемую молем.
Введение моля, как самостоятельной единицы количества вещества, связано с новым определением числа Авогадро.
Числом Авогадро условились называть не вообще число атомов в грамм-атоме, а число атомов изотопа углерода с массовым числом 12 в 12 граммах этого элемента. Обозначив через
Необходимость введения не только новой единицы, а нового физического понятия связана с тем, что мы неправомерно применяем понятие массы к элементарным частицам. Ведь масса — это то, что измеряется рычажными весами.
В настоящее время количество вещества (число Авогадро, а значит, и масса атомов) определяется с меньшей точностью, чем масса. Но, понятно, точность измерения количества вещества не может превысить точность измерения массы.
Возможно, что читателю покажется пустой формальностью введение в обиход этой новой единицы. Пока что оправдание существования двух понятий лежит в различной точности измерения. Если когда-либо удастся представить килограмм как кратное число масс каких-либо атомов, то проблема будет пересмотрена и килограмм станет единицей такого же типа, как секунда и метр.
Что подразумевают, когда говорят: тяжелый как свинец, или легкий как пух? Ясно, что крупинка свинца будет легкой, и в то же время гора пуха обладает изрядной массой. Те, кто пользуется подобными сравнениями, имеют в виду не массу тел, а плотность вещества, из которого это тело состоит.
Плотностью тела называется масса единицы объема. Понятно, что плотность свинца одинакова и в крупинке свинца и в массивном блоке.
При обозначении плотности обычно указывают, сколько граммов (г) весит кубический сантиметр (см3) тела, — после числа ставят символ г/см3. Для определения плотности число граммов надо разделить на число кубических сантиметров; дробная черта в символе напоминает об этом.
Поделиться книгой: