ФИЗИКА

DjVu

      НАЧАЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ТЕЛАХ.
      ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.
     
      § 1. Что изучает физика.
      Физика — одна из древнейших наук о природе. Слово «физика» происходит от греческого слова «фюзис», что означает природа.
      В физике всякий предмет (линейку, карандаш, ножницы, песчинку, каплю веды, камень, земной шар и т. д.) принято называть физическим телом, или просто телом,
      Всё то, нечего состоят теда, называется веществом. Сталь, медь, резина, вода, воздух — всё это различные вещества. Тела могут отличаться друг от друга не только веществом, из которого они состоят, но и количеством этого вещества. Так, например, стальные ножницы содержат вещества больше, чем Стальная иголка, точно так же монета в 5 копеек содержит вещества в пять раз больше, чем монета в 1 копейку.
      Все изменения, происходящие в природе, называются явлениями природы.
      Если внести в тёплую комнату кусок льда, он растает. Вода в чайнике, поставленном на огонь, закипает, а если долго кипятить её, то она вся превратится в пар. Камень, выпущенный из рук, упадёт на землю. Пропустим по проволоке электрический ток. Проволока нагреется и может даже раскалиться добела, как в электрической лампочке. Таяние льда, кипение воды, падение камня, нагревание проволоки током, ветер, молния — всё это различные явления.
      В физике изучаются движения тел, звуковые, тепловые, электрические, магнитные и световые явления. Все эти явления называются физическими явлениями,
      Для изучения какого-либо явления необходимо прежде всего наблюдать его, и по возможности не один раз. Например, чтобы изучить такое явление, как падение тел на землю, мало один раз увидеть, как падает то или другое тело на землю. Нужно узнать, будет ли разница в падении тела лёгкого и тяжёлого, одинаково ли падают тела различных размеров и с разной высоты. Всё это мы сможем узнать, если будем много раз наблюдать различные случаи падения тел. Конечно, ждать, пока какое-нибудь тело упадёт само, мы не станем, а возьмём разные тела и заставим их падать, т. е. сами вызовем явление падения тел.
      Вызывая физические явления и наблюдая за ними, мы производим опыты.
      Опытами мы как бы задаём природе вопросы, а наблюдая результаты опытов, получаем ответ на эти вопросы.
      Но в физике не только наблюдают, как происходят те или другие явления, но и стремятся объяснить их, т. е. установить, почему они происходят так, а не иначе.
      Физика является одной из основных наук о природе, потому что развитие других естественных наук зависит во многом от знания физических явлений.
      Упражнение 1.
      1. Приведите примеры физических тел.
      2. Приведите примеры физических явлений, наблюдаемых вами з природе и дома.
      3. Какими путями изучают в физике явления природы?
     
      § 2. Физика и техника.
      Важное значение имеют открытия физики для техники. Так, например, паровая машина, приводящая в движение паровозы и пароходы, была создана на основе изучения тепловых явлений.
      Современное кино возникло после того, как были изучены многие звуковые, световые и электрические явления. На основании изучения сложных электрических явлений возникло радио. Подобных примеров можно привести множество.
      Всё, что открыто и изучено в физике, есть результат упорного труда многих учёных разных стран и народов.
      Многие важные открытия сделали и наши отечественные учёные в прошлом и настоящем.
      Среди выдающихся русских учёных особое место в науке занимает М. В. Ломоносов — первый русский академик.
      Ломоносов Михаил Васильевич (1711—1765)
      Ломоносов — гениальный русский учёный. Родился на севере, в семье крестьянина-помора. С детства он проявил исключительные способности и пытливый ум. В 1730 г. Ломоносов пришёл пешком в Москву учиться.
      Проявив огромное трудолюбие, Ломоносов достиг выдающихся успехов в различных областях науки. Он и физик, и химик, и инженер, превосходный знаток и преобразователь русского языка, историк и поэт. По настоянию М. В. Ломоносова в 1755 г. в Москве был открыт первый русский Университет, носящий теперь его имя,
      М. В. Ломоносов был большим патриотом, он горячо любил русский народ, гордился им и боролся за широкое развитие русской науки.
      Великий русский поэт А. С. Пушкин писал о М. В. Ломоносове: «Он создал первый русский университет. Он, лучше сказать, сам был первым нашим университетом».
      Радио — самое надежное средство связи. Радиопередачи люди слушают дома, в вагоне поезда, на пароходе, в далеких экспедициях. Изобрёл радио русский учёный А. С. Попов.
      Попов Александр Степанович (1859—1906)
      7 мая 1895 г. известный русский учёный-электрик Александр Степанович Попов сделал сообщение об изобретении им прибора, позволяющего принимать на большом расстоянии электрические сигналы.
      Эта дата прочно вошла в историю мировой культуры как дата одного из величайших изобретений — радио, которым так широко пользуется сейчас человечество. По указу Советского правительства 7-е мая объявлено «Днём радио».
      Много сделал для развития авиации русский учёный Н. Е. Жуковский, которого В. И. Ленин называл «отцом русской авиации».
      Жуковский Николай Егорович (1847-1021)
      Главные научные открытия выдающегося русского учёного Н. Е. Жуковского относятся к области авиации
      Ещё на заре развития авиации (1898 г.) Жуковский говорил: «Человек не имеет крыльев и по отношению своего веса к весу мускулов в 72 раза слабее птицы. Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума». Трудами Жуковского н его учеников в нашей стране была создана лучшая в мире авиация.
      Русские инженеры П. Н. Яблочков и А. Н. Лодыгин изобрели электрическое освещение, которым так широко пользуются люди.
      Особенно большое развитие получила физика в нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции.
      Всему миру известны замечательные достижения советской науки и техники. Яркими примерами этих достижений являются создание первой в мире электрической станции, работающей на атомной
      Циолковсаий Константин Эдуардович (1857—1935)
      Выдающийся учёный, изобретатель и инженер Константин Эдуардович Циолковский первым исследовал законы реактивного движения и разработал конструкцию летательного аппарата — ракеты — для полётов с Земли на другие планеты Солнечной системы.
      Научные достижения Циолковского были использованы советскими учёными и инженерами при расчете, постройке и запуске искусственных спутников Земли и космических ракет.
      энергий, Запуск первого в мире искусственного спутнйка ЗемЛи щ первой космической ракеты, ставшей новой планетой Солнечной системы. Первая ракета, которая достигла Луиы, была советская ракета.
      О многих других достижениях советских ученых и инженеров, техников и рабочих вы узнаете при дальнейшем изучении физики.
     
      § 3. Три состояния вещества.
      В природе вещества встречаются в трёх состояниях — в твёрдом, жидком и газообразном.
      Из твёрдых веществ состоит большинство, окружающих нас тел: дома, машины, инструменты, разнообразные предметы домашнего обихода.
      Каждое твёрдое тело имеет определённую форму и постоянный объём. Так, например, молоток имеет свою форму и свой объём, а у пилы иная форма и иной объём.
      Форму твёрдого тела можно изменить, но для этого потребуется некоторое усилие. Например, чтобы согнуть пилу, нужно приложить заметное усилие.
      Особенно трудно разрушить твёрдое тело. Можно еогнуть руками кусок толстой железной проволоки, т. е. изменить форму проволоки, но разорвать её без специальных инструментов не всегда возможно.
      Для ручной обработки дерева и металлов (т. е. для придания твёрдым телам необходимой формы) применяют топоры, пилы, рубанки, напильники и другие инструменты. На заводах и фабриках дерево, металлы и другие твёрдые материалы обрабатывают на различных станках: токарных, строгальных, шлифовальных и других.
      Жидкости не обладают свойством сохранять свою форму. Например, молоко, наполняющее бутылку, имеет форму бутылки. Налитое же в стакан, оно принимает форму стакана.
      На металлургических заводах металл обычно получают из руды в жидком виде.
      Свойством веществ плавиться при нагревании пользуются при изготовлении различных изделий путём отливки. Таким способом приготовляют предметы из чугуна, стали, латуни, стекла и некоторых других веществ.
      При нагревании вещества могут не только расплавиться, но и превратиться в газ. Установлено, например, что Солнце и звёзды состоят из веществ, имеющихся и на Земле, но они там находятся в раскалённом газообразном состоянии.
      При охлаждении вещество может перейти из жидкого состояния в твёрдое. Всем известный жидкий металл ртуть, который широко используется в термометрах, замерзает при температуре 39° ниже нуля. Поэтому ртутные термометры зимой в таких местах, где температура бывает ниже 39°, не применяются.
      Охлаждением можно превратить в жидкое, а затем и в твёрдое состояние также вещества, которые в обычных условиях существуют в газообразном состоянии: воздух, кислород, азот, водород и др.
      Упражнение 2.
      1. Приведитб несколько примеров твёрдых веществ.
      2. Назовите общие свойства твёрдых тел.
      3. Назовите общие свойства жидкостей.
      4. Назовите, какие вы знаете жидкости.
      5. Каковы общие свойства газов?
      6. Назовите вещество, которое мы чаще всего встречаем в трёх состояниях.
     
      § 4. Измерения.
      В быту, в технике, в сельскбм хозяйстве, а также при изучении физических явлений часто приходится производить различные измерения. Так, например, чтобы сшить костюм или платье, надо снять мерку и по ней раскроить материю. Чтобы-определить площадь колхозного поля, надо измерить длину и ширину его. При постройке машины постоянно приходится определять размеры отдельных её частей. В физике при изучении, например, падения тел приходится измерять высоту, с которой падает тело, его скорость и время падения. Длина, площадь, скорость, время — являются физическими величинами.
      Физическую величину всегда можно измерить.
      Измерить какую-нибудь величину — это значит сравнить её с величиной того же рода (однородной величиной), принятой за едикицу измерения.
      Так, например, измерить длину стола — значит сравнить её о другой длиной, которая принята за единицу длины, например с метром.
      Для каждой физической величины приняты свои единицы измерения. Для измерения площади принята единица площади, для измерения скорости — единица скорости, для измерения времени — единица времени и т. д.
     
      § 5. Метрическая система мер.
      До конца XIX в. в разных странах пользовались различными единицами измерения, или мерами. Даже внутри отдельных стран не было единых мер. Например, В царской России столяры и плотники измеряли длину аршинами и вершками, механики признавали только футы и дюймы, железнодорожники — сажени и сотки (сотые
      доли сажени) . Такое разнообразие единиц измерения очень мешало развитию науки и техники, усложняло торговлю между разными странами. Нужца была единая международная система мер.
      В качестве такой системы была выбрана разработанная в конце XVIII в. во Франции так называемая метрическая система мер, основным преимуществом которой является десятичное подразделение всех применяемых в ней мер.
      Метрическая система мер получила своё название от единицы длины, положенной в основу системы,— метра (от греческого словавметрои» — мера).
      Эту систему ввело у себя большинство стран.
      У нас в России для «ведения метрической системы мер и улучшения измерительной техники много сделал великий русский учёный Д. И. Менделеев.
      В нашей стране метрическая система мер была принята вскоре после Великой Октябрьской социалистической революции,
     
      § 6. Единицы длины.
      В метрической системе мер основной единицей длины является метр. (...)
      Упражнение 3.
      1. Научитесь по размерам ваших рук и пальцев Определять длину в 1 м, 1 дм и 1 см (см. на стр. 17 таблицу I, рис, 1).
      2. Высота здания Московского государственного университета им. Ломоносова от основания здания до верхней точки шпиля — 240 м. Выразить эту высоту в километрах.
      3. Советский реактивный пассажирский самолёт ТУ-104 в 1 час может пролететь 1000 км, а звук в воздухе в 1 секунду проходит 340 м. Что движется быстрее?
      4. На заводах в настоящее время изготовляют проволоку диаметром в 5 микрон. Выразить диаметр этой проволоки в сантиметрах.
      5. Диаметр человеческого волоса 0,05 мм. Выразить эту величину в микронах.
     
      § 7. Измерение длины.
      Измеряя длину какого-нибудь предмета, мы определяем, сколько раз вдоль предмета укладывается принятая нами единица измерения, например метр. Если при измерении длины комнаты метровая линейка уложилась вдоль стены Шесть раз, то это значит, что длина комнаты равна 6 м.
      Для измерения небольших длин пользуются линейкой е делениями. Деления на измерительном приборе называются шкалой.
      Для измерения длины какого-нибудь предмета, например бруска, изображённого на рисунках 9 и 10, к нему прикладывают линейку
      Рис. 10- Измерение длины бруска металлической линейкой. Для более точного совмещения края бруска и нулевого деления линейки применён упор.
      так, чтобы её нулевое деление совпало с одним концом предмета. Тогда деление, совпадающее с другим его концом, укажет длину предмета.
      Диаметр круглого тела или отверстия Измеряют при помощи кронциркуля и линейки. Ножки кронциркуля устанавливают таким образом, чтобы измеряемое тело вплотную проходило между ними (рис. И, а). Затем, приложив кронциркуль к линейке, отсчитывают измеренную величину (рис. 11, в). Способ измерения диаметра отверстия изображён на рисунке 11,6.
      Результаты измерений длины записываются обычно в десятичных дробях. Например, длина предмета, изображённого на рисунке 9, равна 14,2 см.
      Складным метром можно измерить длину с точнрстью до 1 мм. В сложенном виде складной метр занимает немного места, его удобно носить в кармане. На рисунке 12 показан ученик, использующий складной метр во время работы в столярной мастерской.
      Рулетки бывают разной длины. Короткие, длиной до трёх метров, изготовля от из стальной леиты, длинные (до 50 м)— из прочной матерчатой ленты, пропитанной особым составом. Лента в смотанном виде находится в круглой коробке (рис. 13).
      Объяснение к таблице.
      1. Мальчик держит линейку длиной в 1 м. Полезно уметь по длине своих рук определять расстояние в один метр.
      2. Микробы, видимые в сильный микроскоп, имеют размеры, измеряемые микронами.
      3. При шитье одежды мерку снимают, пользуясь лентой е сантиметровыми де -лениями (портновский сантиметр),
      4. В торговле для отмеривания тканей применяется метр в виде деревянной или металлической лииейьн.
      5 В технике размеры всех деталей машин и сооружений измеряют в миллиметрах, хотя сами машины или сооружения могут при этом иметь значительные ра меры. Изображенный на рисунка пароход имеет длину сиыше 150 м.
      ДЛИНА РАЗЛИЧНЫХ ТЕЛ Таблица I
     
      § 8. Штангенциркуль,
      Более точные измерения длины можно производить штангенциркулем. Штангенциркуль (рис. 14) состоит из линейки, имеющей сантиметровые и миллиметровые деления. На конце этой линейки укреплена одна из ножек штангенциркуля. Другая ножка прикреплена к небольшой линейке, которая может перемещаться вдоль первой линейки. На передвижной линейке также нанесены деления, но они более мелкие, чем миллиметры. Десять таких делений составляют 9 мм, а одно деление, следовательно, равно 0,9 мм.
      1 У некоторых штавгенцнркулей на подвижной линейке нанесено 20 делений, соответствующих 19 мм на неподвижной линейке.
      Штангенциркуль. Сверху показана в увеличенном виде часть основной шкалы в подвижная шкала штангенциркули.
      Когда ножки штангенциркуля сдвинуты до соприкосновения, то нулевые деления шкал на обеих линейках совпадают.
      Для определения размеров тела его зажимают между ножками штангенциркуля (рис. 14). По положению нулевого деления, подвижной шкалы определяют число целых миллиметров. Затем смотрят, какой из штрихов подвижной шкалы, считая от нулевого, совпадает со штрихом основной шкалы, и к целому числу миллиметров добавляют соответствующее число десятых долей. На рисунке 14 можно видеть, что нулевое деление подвижной шкалы расположено за 20 миллиметровым делением, а из штрихов подвижной шкалы совпадает с штрихом основной шкалы шестой. Следовательно, диаметр измеряемого цилиндра равен 20,6 мм.
      Рис. 16. Намерение штангенциркулем глубины глухого отверстия.
      На рисунках 15 и 16 изображено, как измеряют штангенциркулем диаметр и Глубину глухого (несквозного) отверстия.
      Упражнение 4.
      1. Как можно производить измерения линейкой с обломанным около нулевого деления концом?
      2. Подумайте и опишите, как можно с помощью линейки измерить диаметр шарика. Проделайте такое измерение дома.
      3. Назовите приборы для измерения длины, Которыми вы пользуетесь в школьных мастерских.
     
      § 9. Точность измерений,
      Всякое измерение может быть произведено с большей или меньшей точностью.
      В качестве примера рассмотрим измерение длины доски метровой линейкой с сантиметровыми делениями. Наименьшая длина, которую мы можем по этой линейке отсчитать, равна 1 см.
      Значение наименьшего деления шкалы измерительного прибора называется ценой деления.
      Цена деления нашей линейки 1 см.
      На рисунке 17 мы видим, что левый конец доски совмещён с нулевым штрихом линейки, а правый находится между штрихами 81 и 82, ближе к 82. Следовательно, истинная длина доски больше 81 см, но меньше 82 см. Какое же из этих двух значений следует принять за длину доски? Понятно, что за длину доски надо принять то значение, которое ближе к истинной длине. В данном случае ближе к истинной длине будет длина, равная 82 см.
      Считая, что длина доски равна 82 см, мы допускаем некоторую неточность, так как доска чуть короче 82 см
      При помощи линейки с сантиметровыми делениями можно измерить длину доски с точностью до одного сантиметра.
      Если применить линейку, разделённую на миллиметры, то ту же длину доски можно будет измерить уже с большей точностью — до одного миллиметра.
      В § 8 был описан штангенциркуль, дающий возможность измерять длину предметов с точностью до 0,1 лш. Таким образом, точность измерения определяется ценой деления шкалы измерительного прибора.
      Обычно мы пользуемся при измерениях тем прибором, который даёт нам желаемую точность. Так, например, если необходимо отрезать кусок звонковой проволоки длиной 20 см, то точность до 1 мм, С которой будет произведено измерение длины проволоки, вполне достаточна. Поэтому кусок проволоки нужной нам длины мы отмерим обычной линейкой с миллиметровыми делениями. Однако если понадобится определить диаметр той же проволоки, то тут уже измерение придётся произвести с точностью по крайней мере до 0,1 мм. Для этого потребуется другой, более точный, измерительный инструмент — штангенциркуль.
      Пользуясь даже очень точным измерительным Прибором, можно допустить большую ошибку, если неправильно производить измерение.
      На рисунке 18,а показано правильное расположение линейки при измерении длины бруска, а на рисунке 18,6 — неправильное расположение. Ясно, что неправильное расположение линейки приведёт к ошибке в измерении.
      Особенно большая ошибка при отсчёте может получиться при неправильном расположении глаза (рис. 19).
      Рис. 19. Правильность отсчёта зависит от положения глаза, Определяя высоту деревца при помощи линейки, расположенной позади деревца, каждый из учеников Получит разное значение Более высокому ученику деревцо кажется ниже, а присевшему — выше, чем ученику, стоящему между ними. Ошибка измерения тем меньше, чем ближе стоит линейка к измеряемому деревцу.
      Рис. 16 Правильное (а) и неправильное (б) расположение линейки при измерении длины бруска.
      Ошибка от неправильного расположения глаза при отсчёте тем меньше, чем ближе шкала линейки к измеряемому предмету. По этой причине в хороших линейках шкала устроена так, что она может быть совмещена с измеряемой линией. Для этого линейки .делают со скошенными краями (рис. 20).
      Рис. 20. Линейка со скошенными краями.
      Упражнение.
      1. Как понимать выражение «измерить длину с точностью до 1 мм»?
      2. Можно ли линейкой, имеющей сантиметровые деления, измерить длину с точностью до 1 мм?
      3. Начертите на бумаге (не нд клетчатой) при помощи линейки отрезки прямой в 32 см, 24 см и 30 см. Разделите на глаз первый отрезок на две, потом на четыре и на восемь равных частей; второй — на три и на шесть равных частей; последний отрезок — на пять равных частей. Проверьте результаты измерением.
      4. Определите на глаз размеры стола, почтовой марки, диаметр карандаша. Результаты запишите, а затем измерьте эти предметы линейкой. Сравните результаты измерений с оценкой на глаз.
      5. Измерьте шагами расстояние между вашим домом и школой и выразите это расстояние в метрах.
      Для этого несколько раз, идя в школу или из школы, сосчитайте число ваших шагов. Из нескольких измерений возьмите ереднее арифметическое.
      Определите среднюю длину вашего шага. Отмерьте на дворе расстояние в 10 ж и несколько раз определите, сколько ваших шагов укладывается на этом расстоянии, учитывая доли шага. Результат запишите в таблицу.
      Наконец, выразите расстояние между вашим домом и школой в метрах и занесите результат в таблицу.
     
      § 11. Лабораторная работа № 2. Измерение диаметра проволоки.
      Приборы и материалы: кусок тонкой проволоки; карандаш или ручка; линейка.
      Указания к работе: Для измерения диаметра тонкой проволоки намотайте плотно на карандаш или ручку 20 — 30 витков её к измерьте длину обмотанной части линейкой, как показано на рисунке 21.
      2. Повторите измерение ещё два раза, меняя каждый раз чиоло витков проволоки.
      3. Вычислите диаметр проволоки по длине обмотки и числу витков (ограничиться двумя значащими цифрами).
      4. Найдите среднее арифметическое кз трёх вычисленных значений диаметра проволоки.
      1 Вместо линейки можно использовать штангенциркуль.
      6. Подумайте, как определить, с какой точностью мы измерили диаметр проволоки.
      7. Как при помощи линейки с миллиметровыми делениями можно приблизительно измерить толщину листа бумаги учебника? Проделайте дома такое измерение.