Маленькая физика

DjVu

      ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

      Вниманию читателей предлагается перевод книги д-ра Г. Низе (Лейпциг, ГДР, седьмое издание, 1958 г.).
      Рекомендуя эту книгу, мы имеем в виду главным образом интересы двух групп читателей.
      К первой группе принадлежит молодежь, пришедшая на производство после окончания 7—11 классов средней школы. Освоившись с работой, большой контингент молодежи, имея свободное время и запас сил, приступает к продолжению своего образования, снова берется за школьный учебник физики, в котором большое место занимают абстрактные формулировки, определения и рецепты. Овладение знаниями, содержащимися в учебниках, требует немалых усилий, и здесь существенную помощь может оказать книга Г. Низе. В этой книге рассмотрению каждого физического вопроса предшествуют примеры, хорошо знакомые каждому человеку, трудовая жизнь которого связана с производством. Эти примеры создают живые ассоциации и сразу, без каких-либо рассуждений показывают практический смысл рассматриваемого физического вопроса. Затем следуют краткое и ясное описание явления, выводы, примеры и самостоятельные упражнения. Иллюстрации, главным образом фотографии привычных машин и приборов, сопровождают каждый шаг в изложении материала.
      Вторую группу читателей, для которой предназначена эта книга, составляют кадровые рабочие. На их глазах и в значительной мере их усилиями производятся техническое перевооружение промышленных предприятий, модернизация и автоматизация технологических процессов. По* нимание новой техники и активное участие в ее внедрении и развитии требуют повышения уровня знаний по физике в рабочей среде. Благодаря особенностям книги Г. Низе, о которых мы говорили выше, она поможет решению этой задачи.
      Чтобы устранить источники недоразумений, которые легко могут возникнуть у неподготовленного читателя, мы придерживались при редактировании перевода принятой в наших учебниках терминологии; в частности, мы отказались от наименования единицы силы «килопонд» вместо «килограмм-сила». Мы полагаем, что подобные вопросы следует решать не посредством вспомогательной литературы, содержащей начальные сведения по физике, а при составлении стандартных учебников.
      В заключение следует отметить несколько отступлений от авторского текста, произведенных при редактировании перевода. Автор приписывает открытие периодической системы элементов в равной мере Д. И. Менделееву и Л. Мейеру. С этим мы не могли согласиться и, опираясь на историю науки, указали в переводе истинного творца периодической системы. Изменению подвергся также § 17, в котором рассматривается движение по окружности. В нескольких упражнениях мы заменили примеры, смысл которых был бы неясен нашему читателю (кегельбан, гора Цуг-Шнйтце и т. п.).
      С. М. Райский
     
     
      ПРЕДИСЛОВИЕ
     
      «Маленькая физика» познакомит читателя с физическими основами современной техники. Она написана в первую очередь для молодых рабочих и опытных мастеров, которые хотели бы понять явления, постоянно привлекающие их внимание на производстве. Автор хотел бы также помочь всем, кто интересуется техникой и желает ознакомиться с законами физики, лежащими в ее основе.
      Способом изложения материала «Маленькая физика» существенно отличается от других книг по физике. Каждый раздел начинается с фотографии, иллюстрирующей основную идею этого раздела и тесную связь рассматриваемых в нем физических вопросов с производственными процессами или фактами, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. Такая фотография служит отправным пунктом в изложении основ физики. Этот метод строго проводится и в дальнейшем изложении. Фотоиллюстрации закрепляют сообщенные сведения. Автор сознательно отказался излагать материал, опираясь на опыты по физике, так как «Маленькая физика» предназначена для читателей, не имеющих, как правило, возможности ставить опыты. Метод эксперимента мы оставляем школе и учителям. В школьном обучении физике основой преподавания служит эксперимент, а в «Маленькой физике» мы сообщаем читателю знания иным способом. Материал излагается в доступной форме и расчленен на ряд небольших законченных глав.
      Во всех частях книги сведения по физике тесно связаны с личным опытом рабочего. Знания и опыт, имеющиеся у читателя, освежаются и приводятся в систему. Связь между различными физическими явлениями, замеченными при отдельных наблюдениях, отмечается и подчеркивается.
      Упражнения, предлагаемые для самостоятельного решения, должны закрепить и расширить приобретенные знания.
      Ответы, приведенные в конце книги, позволят читателю проверить правильность его соображений по поставленным вопросам.
      Своеобразная цель, преследуемая этой книгой, потребовала тщательного отбора и ограничения материала, что не всегда легко было сделать. В настоящее издание по сравнению с предыдущими внесены многочисленные улучшения и дополнения. Улучшен и расширен иллюстративный материал. В связи с возрастающим значением ультразвука для техники и различных областей науки введена глава «Ультразвук». Следуя многочисленным пожеланиям читателей, мы ввели в книгу также раздел «Атомная энергия».
      Мы хотели бы, чтобы наша «Маленькая физика» сопровождала многих ее читателей на пути повышения производственной квалификации.
      Автор
     
     
      ВВЕДЕНИЕ
     
      Рис. 1. Рабочие колеса турбин гидроэлектростанций приводятся в движение потоком воды. Турбины вращают генераторы — источники электрического тока.
     
      1. Физика — наука, прокладывающая дорогу технике
     
      На современном производстве только небольшая часть работы выполняется мускульной силой человека. Техника позволила поставить на службу человеку силы природы.
      Течение воды, ветра, силу притяжения к земле, электрические и магнитные силы, силу взрывов, силу расширяющегося газа и пара, силу упругости и многие другие силы природы используют в двигателях, машинах и приборах.
      Рабочие машины разнообразного назначения выполняют на современных промышленных предприятиях работу, для которой потребовались бы миллионы людей. Краны и подъемники, экскаваторы и насосы, прессы и штамповальные станки, прядильные и ткацкие машины, сельскохозяйственные машины обеспечивают такой уровень производства, которого человек никогда не достиг бы без помощи машин.
      Задача физики — изучить силы природы и их законы. В физических исследовательских институтах, в высших учебных заведениях, в промышленных лабораториях непрерывно ведется исследовательская работа, увеличивающая наши знания.
      Физика есть наука о силах природы.
      Химия занимается процессами, при которых вещество претерпевает изменения, а физика, если исключить ее узкую область, пограничную с химией, изучает процессы, при которых изменяется лишь состояние вещества.
      Физику подразделяют обычно на шесть разделов: механику, звук, теплоту, оптику, магнетизм и электричество.
      В настоящее время известно, что наблюдаемые нами тепловые и звуковые явления происходят в результате движения мельчайших частиц. Поэтому учение о теплоте и акустика суть только часть механики. С тех пор, как стало известно, что световые волны являются электромагнитными, оптику можно рассматривать как часть учения об электричестве. Магнетизм также следует включить в раздел электричества, так как все магнитные свойства основаны на действии электрического тока. Несмотря на это, физику для удобства изучения по-прежнему разделяют на шесть частей.
      Техника широко использует успехи физических исследований. Великие достижения современной техники основаны на данных физической науки, которая обеспечивает непрерывный прогресс промышленного производства.
     
     
      А. МЕХАНИКА
     
      Рис. 2. Механика есть учение о движениях и о силах, вызывающих движение.
     
      I. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ И СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
     
      2. Твердое, жидкое и газообразное состояния
     
      В цехе или на складе лежат круглые или четырехгранные прутки из стали, меди и алюминия, медные трубы, алюминиевые листы, разнообразной формы отливки, деревянные
      Рис. 3. Склад материалов.
      модели, доски и многие другие материалы. Это все твердые тела. Резервуары и чаны, ведра, боченки и бутыли наполнены жидкостями: смазочным маслом, бензином, скипидаром, серной кислотой, водой и т. д.
      Газы также находят разнообразное применение в производстве. Ацетилен и кислород применяют при автогенной сварке. В пламени светильного газа нагревают паяльники.
      Вещества встречаются в трех различных состояниях: в твердом, жидком и газообразном. Эти три состояния называют также «агрегатными состояниями».
      Агрегатное состояние определяется не только свойствами данного вещества, оно зависит и от внешних воздействий на вещество. Изменяя температуру или давление, можно добиться перехода вещества из одного состояния в другое.
      Тестообразное состояние, какое, например, принимает сталь при температуре ковки, есть переходная форма между твердым и жидким состояниями. Туман содержит мельчайшие капельки воды; дым кроме капелек содержит мелкие твердые частички.
     
      Упражнения:
      1. Понаблюдайте, что происходит при погружении раскаленного железа в воду. Образуются белые клубы водяного пара. Какое это состояние воды, жидкое или газообразное?
      2. Может ли железо быть в газообразном состоянии? Бывает ли воздух жидким?
      3. Что понимают под гидрогенизацией угля? («Гидрос» по-гречески — жидкость, вода.)
      4. Можно ли перевести вещество в любое из трех агрегатных состояний?
     
      3. Каждое тело занимает некоторое пространство
     
      В вырубной штамп требуется забить два цилиндрических штифта. Чтобы штифты прочно держались, диаметр штифта делается несколько больше диаметра просверленного отверстия. И вот возникает неожиданное затруднение.
      Штифт 1 (рис. 5) не входит в штамп на глубину отверстия, а штифт 2 без усилий можно ввести на желаемую глубину. Объясняется это тем, что штифт 1 наглухо закрывает просверленный канал. Находившийся там воздух сжался при первых ударах молотка. Выйти из канала воздух не может и потому препятствует дальнейшему продвижению штифта вглубь. Из канала 2 воздух выходит свободно и уступает место штифту.
     
      Рис. 4. Рабочий забивает штифты в основание вырубного штампа.
      Рис. 5. Основание вырубного штампа.
     
      Каждое тело занимает некоторое пространство. Два различных тела не могут одновременно занимать одно и то же пространство.
      Это представляется нам само собой понятным. Как показал приведенный выше пример, не следует, однако, забывать, что воздух тоже есть тело, для которого требуется пространство, свободное от других тел.
     
      Упражнения:
      5. Во всех формах для литья имеется не меньше двух отверстий. Почему недостаточно одного отверстия?
      6. На что надо обращать внимание при наливании жидкости в бутылку через воронку?
      7. Если опускать в воду стакан отверстием вниз, то вода заполнит лишь небольшую часть стакана. Почему?
      8. Почему в бочках обычно делают два отверстия?
     
      4. 102 основных вещества
     
      Химики выяснили, из каких составных частей состоят вещества, встречающиеся на Земле. При этом были обнаружены вещества, которые не могут быть дальше разложены химически на составные части, отличные от этих веществ. Таких основных веществ оказалось 91. При помощи атомных превращений удалось получить искусственно еще одиннадцать основных веществ, не встречающихся в природе.
      Из различных основных веществ состоят все горные породы и полезные ископаемые, все жидкости и газы, все вещества, образующие организмы растений и животных. Основные вещества называются также химическими элементами. К числу химических элементов принадлежат, например, железо, алюминий, медь, цинк, олово, сера, фосфор, углерод, ртуть, хлор, кислород, азот, водород и др.
      Элементы не могут быть разложены химически на составные части с иными свойствами.
      Вещества, построенные по определенным законам из различных элементов, называются химическими соединениями. Химическим соединением является, например, ржавчина, образующаяся при действии воздуха и влаги на железо и состоящая из элементов: железа, кислорода и водорода.
      Химические соединения состоят из разнородных элементов.
      Другими примерами химических соединений служат углекислый газ, вода, серная кислота, соляная кислота, поваренная соль, сода, мрамор, масла, жиры, сахар, мыло, крахмал и многое другое. Известно более 500 000 химических соединений, тогда как элементов в природе встречается только 91.
      Исследование химического состава веществ называется химическим анализом. Инженеру часто приходится обращаться за помощью к химику для проведения анализа материалов, с которыми он имеет дело на своем производстве.
      Химические соединения следует отличать от смесей. Смеси в большинстве случаев можно разложить на составные части механическим способом (например, просеиванием или отмучиванием). Химические соединения никогда нельзя разложить такими приемами. Смеси можно составить, вводя отдельные вещества в любой пропорции. Напротив, веса составных частей химического соединения находятся в строго определенных числовых отношениях, неизменных для данного соединения.
     
      Упражнения:
      9. Назовите другие известные вам химические элементы.
      10. Назовите другие известные вам химические соединения.
     
      5. Атомы и молекулы
     
      Частицы металла, вылетающие из распылителя, очень малы, но все же можно получить еще более мелкие частицы.
      Ученые установили, что все элементы построены из мельчайших частиц. Эти мельчайшие частицы называются атомами. Атомы так малы, что их нельзя увидеть в самый сильный микроскоп.
      Частичка распыленного цинка содержит в себе еще многие биллионы атомов цинка. Атом цинка весит примерно 0,000 000 000 000 000 000 000 1 Г. Диаметр атома цинка равен приблизительно 0,000 000 2 мм. Следовательно, масса и диаметр атомов невообразимо малы.
     
      Рис. 7. При металлизировании поверхностей в распылитель вводят проволоку из ра спыляемого металла. Проволока расплавляется в пламени, и металл выбрасы-вается сжатым воздухом в виде мельчайших частиц, которыми покрывают поверхность изделия.
      Рис. 8. Молекула водорода.
      Рис. 9. Молекула воды.
     
      Так как различных элементов известно 102, то известно 102 различных вида атомов: атом железа, атом серы, атом кислорода, атом азота и т. д.
      Иногда атомы соединяются с атомами того же элемента. Газообразный водород состоит, например, из совокупности двух тесно связанных атомов водорода (рис. 8).
      Такое сочетание атомов называется молекулой. Молекула водорода состоит, следовательно, из двух водородных атомов. Силы, связывающие атомы в молекулу, имеют электрическую природу.
      Молекула элемента состоит из атомов этого элемента.
      Если в молекулу соединяются атомы разных элементов, то образуется химическое соединение. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 9). Атом кислорода при этом связан с двумя атомами водорода и потому называется «двухвалентным». Валентность (способность присоединять атом водорода) наглядно изображена на рис. 8, 9 и 10 посредством штрихов. Молекула бензола состоит из 6 атомов углерода и 6 атомов водорода (рис. 10). Атомы углерода четырехвалентны. Каждый атом углерода связан тремя валентными связями с двумя соседними атомами углерода. Четвертая валентная связь каждого углеродного атома соединяет его с атомом водорода.
      Молекула сахара построена из 12 атомов углерода, 22 атомов водорода и 11 атомов кислорода. Встречаются соединения, молекулы которых составлены из сотен атомов.
      Молекула химического соединения состоит из атомов разных элементов.
      В молекуле сернистого железа, одного из соединений серы с железом, каждый атом серы соединен химически с одним атомом железа. В смеси же серы и железа сравнительно крупные частички того и другого элемента находятся рядом в свободном состоянии, не будучи связаны друг с другом.
      Атомы —это кирпичики, из которых построено всякое вещество.
      Сами атомы имеют сложное устройство, в котором действуют электрические силы. Детали строения атомов и законы, по которым они построены, успешно изучаются физиками (см. стр. 264).
     
      Упражнения:
      11. Существуют ли атомы воды? Атомы воздуха?
      12. Составлены ли молекулы фосфора из атомов разных элементов?
      13. Состоит ли молекула поваренной соли из атомов двух разных элементов?
      14. Маленькая медная заклепка весит 0,4 Г. Сколько в ней содержится атомов, если атом меди весит приблизительно 0,000 000 000 000 000 000 000 1 Г?
     
      6. Кристаллическая решетка
     
      Твердые металлы построены не беспорядочно. Зерна, которые видны на поверхности излома или шлифа,— это кристаллы. Однако они имеют неправильные границы, потому что при затвердевании металлического расплава кристаллы мешают друг другу расти. Чем медленнее и спокойнее застывает расплав, тем крупнее получаются зерна
      кристаллов.
      Например, атомы чистого железа, находящегося в твердом состоянии, образуют при комнатной температуре совокупность решеток кубической формы. В каждом из восьми углов куба элементарной
      решетки размещен один атом железа и, кроме того, в центре куба находится девятый атом (рис. 12). Такой порядок расположения атомов называется «объемноцентрированным». При нагревании до 906° С взаимное расположение атомов внезапно изменяется. Решетка перестраивается. Атом, находившийся в центре куба, удаляется оттуда, а в середине каждой из шести граней появляется по атому. Решетка превратилась в «гранецентрированную» (рис. 13). Атомов в элементарной решетке стало больше, в нее пришли атомы из соседних ячеек решетки. Общее число атомов в куске железа при такой перестройке осталось, конечно, прежним.
     
      Рис. 11. Поверхность излома стали.
      Рис. 12. Схема расположения атомов в объемноцентрированной решетке.
      Рис. 13. Схема расположения атомов в гранецентрированной решетке.
     
      Атомы в металлах и большинстве других твердых тел расположены в определенном геометрически правильном порядке.
      При затвердевании жидких тел или при выпадении осадков из растворов атомы располагаются упорядоченно, образуя решетку. Возникают маленькие, а иногда и большие кристаллы, из которых и состоит большинство твердых тел.
      Прозрачный сверкающий алмаз (рис. 14) состоит из тех же атомов углерода, что и графитовый стержень карандаша (рис. 15). Только в алмазе решетка иначе построена из атомов, чем в графите.
     
      Рис. 14. Алмазы.
      Рис. 15. Графит.
      Рис. 16. Лауэграмма поваренной соли.
      Рис. 17. Диаграмма Дебая—Шеррера для кварца.
     
      Очень важно знать строение решеток в металлах, так как это позволяет правильно выбрать способ обработки материалов, применяемых на производстве. Для выбора режима закалки стали также нужно знать, как изменяется кристаллическая решетка при нагревании и охлаждении стали.
      Сведения о строении атомных решеток получают обычно при помощи рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи, проходя через решетку атомов, отклоняются и дают на фотопластинке своеобразные картины. Когда рентгеновские лучи рассеиваются от монолитного куска кристалла, то получается так называемая лауэграмма (рис. 16).
      Диаграмму Дебая—Шеррера (рис. 17) получают при рассеянии рентгеновских лучей от кристаллических порошков.
      По расположению линий и точек на диаграмме, по расстоянию между ними и по степени почернения фотоэмульсии можно сделать вполне определенное заключение о строении просвечиваемых атомных решеток.
      Упражнение:
      15. В чем различие между объемноцентрированной и гранецентрированной решетками?
     
     
      II. СИЛЫ
     
      7. Измерение сил. Действие сил
     
      Силы можно измерять, пользуясь пружинными весами. Можно, например, измерить силу, с которой лошадь тянет воз, если поместить между упряжкой лошади и повозкой большие пружинные весы (динамометр). Такие динамометры калибруют в килограммах (кГ). (Иногда эту единицу силы для уточнения называют «килограмм-сила».) Килограмм — это сила, с которой 1 литр воды (практически 1 дм3) при 4° С на широте 45° и на уровне моря давит на подставку (см. стр. 33).
      Рис. 18. Пружинными весами можно измерить мускульную силу руки.
      Силы измеряют в килограммах (кГ).
      Сила, действуя на тело, может привести его в движение. Так, в цехах заводов силы применяют для передвижения инструментов и деталей машин, для транспортировки грузов.
      Причиной любого изменения в движении тел всегда служит сила.
      Для изменения формы при обработке материалов применяют силы, смещающие или отделяющие частицы обрабатываемого материала.
      Силы проявляются в их действиях: в изменении движения тел, изменении их формы.
      Не всегда при действии сил тело начинает двигаться или изменяет свое движение. В таких случаях действия нескольких сил взаимно уничтожают друг друга.
      Силы магнитного или электрического происхождения нельзя рассматривать как особые силы. В сущности характер действия всех сил один и тот же. Поэтому законы и правила, касающиеся действия сил, справедливы для сил любого происхождения.
     
      Упражнения:
      16. Приведите примеры действия сил.
      17. Назовите силы природы, которые вызывают движение тел.
     
      8. Изображение сил на чертежах
     
      Если лодка движется силой мотора и одновременно на нее действует сила ветра, то эти силы можно наглядно представить на чертеже в виде стрелок.
      Рис. 19. Графическое изображение сил мотора и ветра, движущих лодку.
      Такие стрелки, обозначающие направленные величины, называются «векторами».
      Сила вполне определена, если жения, величина и направление, вает точку приложения силы. Направление стрелки указывает направление силы, а длина стрелки характеризует величину силы.
      Силы изображаются стрелками.
      Силу в 7 кГ, например, можно изобразить на чертеже стрелкой длиной в 7 см. Можно пользоваться и любым другим масштабом. Скажем, 1 мм длины стрелки может обозначать силу в 100 кГ.
      При графическом изображении сил необходимо указывать масштаб, в котором представлены силы на чертеже. Только при этом условии чертеж позволит нам узнать истинную величину сил.
      Силы изображают в определенном масштабе. Масштаб выбирают, сообразуясь:
      1) с величиной сил,
      2) с размерами чертежа,
      3) с желаемой точностью чертежа.
      (Знак «подчёркнутый треугольник» заменяет слово «соответствует».)
      Упражнения: (графические символы).