Ëîâêîñòü â ïðîèçâîäñòâå îïûòîâ íå äàåòñÿ ñàìà ñîáîþ; îíà ïðèîáðåòàåòñÿ òîëüêî òðóäîì. Êîãäà âû ó÷èòåñü òàíöåâàòü, âàøè ïåðâûå äâèæåíèÿ íåóêëþæè, è òîëüêî ïóòåì óïðàæíåíèÿ íàó÷àåòåñü òàíöåâàòü. Òàêîâ æå è åäèíñòâåííûé ïóòü íàó÷èòüñÿ ïðîèçâîäèòü îïûòû. Ïîýòîìó íå ñëåäóåò ñìóùàòüñÿ ñâîåþ íåëîâêîñòüþ íà ïåðâûõ ïîðàõ; ïîâòîðÿÿ è ïîâòîðÿÿ òî æå äåëî, âû ñêîðî ñïðàâèòåñü ñ íèì è ïðèîáðåòåòå íåäîñòàâàâøèå âàì íàâûê è ëîâêîñòü. Èäÿ òàêèì ïóòåì, âû âñòóïèòå â ïðÿìîå ñíîøåíèå ñ ïðèðîäîé, âû áóäåòå ðàçìûøëÿòü íå î òîì, ÷òî ïðî÷èòàëè â êíèãàõ, à î òîì, ÷òî ãîâîðèò âàì ñàìà ïðèðîäà. Ìûñëè, ïîðîæäåííûå ýòèì èñòî÷íèêîì, îòëè÷àþòñÿ óäèâèòåëüíîþ æèâîñòüþ, êàêîé íå ìîæåò èì äàòü îäíî êíèæíîå çíàíèå. Äæîí Òèíäàëü «Óðîêè ïî ýëåêòðè÷åñòâó»
ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ ÀÂÒÎÐÀ Ê ÏÅÐÂÎÌÓ ÈÇÄÀÍÈÞ 1934 ÃÎÄÀ Ýòà êíèãà ñîäåðæèò ñîòíþ ïåñòðûõ ðàññêàçîâ èç îáëàñòè ôèçèêè, ðàñïîëîæåííûõ â îïðåäåëåííîé ñèñòåìå, íåñìîòðÿ íà íåïðèíóæäåííóþ âíåøíþþ ôîðìó. Ïðåäíàçíà÷åíà îíà äëÿ òåõ, êòî âëàäååò ëèøü ñàìûìè íà÷àëüíûìè ñâåäåíèÿìè èç ôèçèêè èëè âîâñå åùå íå ïðèñòóïàë ê åå èçó÷åíèþ. Îíà çàìåòíî îòëè÷àåòñÿ, ñëåäîâàòåëüíî, îò äðóãîé êíèãè òîãî æå àâòîðà — «Çàíèìàòåëüíàÿ ôèçèêà», ñõîäíîé ïî ìàíåðå èçëîæåíèÿ, íî èìåþùåé â âèäó áîëåå ñâåäóùåãî ÷èòàòåëÿ. «Ôèçèêà íà êàæäîì øàãó» íå ñòðåìèòñÿ çàìåíèòü ñîáîþ øêîëüíûé ó÷åáíèê. Åå öåëü — ïîáóäèòü ÷èòàòåëÿ ê ñîçíàòåëüíîìó íàáëþäåíèþ ïðîñòåéøèõ ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé, íàó÷èòü çàìå÷àòü èõ â îêðóæàþùåé îáñòàíîâêå, â îáèõîäå, â ïðèðîäå, â òåõíèêå, íåçàìåòíî íàêîïëÿÿ òîò çàïàñ ôàêòîâ, ñèñòåìàòè÷åñêèì èçó÷åíèåì êîòîðûõ çàíèìàåòñÿ ôèçè÷åñêàÿ íàóêà. Ñâåäåíèÿ èç òåîðèè ñîîáùàþòñÿ ëèøü ñàìûå ýëåìåíòàðíûå è â âåñüìà ñêðîìíîì îáúåìå; ãëàâíîå æå âíèìàíèå ïðèâëåêàåòñÿ ê ôàêòàì è îïûòàì. Ïîäáîð îïûòîâ òàêîâ, ÷òî èõ ìîæíî âûïîëíÿòü è ÷åðïàòü èç íèõ ïîó÷åíèÿ áåç âñÿêèõ ïðèáîðîâ. Îòäåëüíûå ñòðàíèöû êíèãè ïîñâÿùåíû ýïèçîäàì èç èñòîðèè ôèçèêè.
ÏÐÈÌÅ×ÀÍÈÅ ÈÇÄÀÒÅËÜÑÒÂÀ Ê ÄÀÍÍÎÌÓ ÈÇÄÀÍÈÞ Îáðàùàåì âíèìàíèå ÷èòàòåëÿ íà òî, ÷òî ñ 1 ÿíâàðÿ 1980 ãîäà â Ðîññèè âîøëà â óïîòðåáëåíèå Ìåæäóíàðîäíàÿ ñèñòåìà åäèíèö ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí, êîòîðàÿ ïîëó÷èëà ñîêðàùåííîå íàçâàíèå ÑÈ îò íà÷àëüíûõ áóêâ âûðàæåíèÿ Systeme International, ÷òî îçíà÷àåò «Ñèñòåìà èíòåðíàöèîíàëüíàÿ». Ïðè íàïèñàíèè æå äàííîé êíèãè èñïîëüçîâàëàñü òåõíè÷åñêàÿ ñèñòåìà èçìåðåíèÿ, â êîòîðîé îñíîâíûìè åäèíèöàìè ÿâëÿþòñÿ ìåòð, êèëîãðàìì-ñèëà è ñåêóíäà, à îñíîâíûìè âåëè÷èíàìè – äëèíà, ñèëà è âðåìÿ. Äëÿ ëó÷øåãî ïîíèìàíèÿ íàïèñàííîãî è âîçìîæíîñòè ïðîâåäåíèÿ ñàìîñòîÿòåëüíûõ ðàñ÷åòîâ â ñîîòâåòñòâèè ñ ñîâðåìåííîé øêîëüíîé ïðîãðàììîé â ïðèëîæåíèè ïðèâåäåíû íåêîòîðûå ïîëåçíûå, ñ íàøåé òî÷êè çðåíèÿ, êîììåíòàðèè.
В этой книге встречаются следующие сокращенные обозначания: км . . . . . . . . . . . километр м . . . . . . . . . . . метр см . . . . . . . . . . . сантиметр мм . . . . . . . . . . . миллиметр т . . . . . . . . . . . тонна кг . . . . . . . . . . . килограмм г . . . . . . . . . . . грамм л . . . . . . . . . . . . литр г. . . . . . . . . . . . . год в. . . . . . . . . . . . век Вт . . . . . . . . . . . ватт Дж . . . . . . . . . . джоуль тыс. . . . . . . . . . тысяча с . . . . . . . . . . . секунда т. е. . . . . . . . . . то есть
55
ÑÊÀËÀ ÝÄÈÑÎÍÀ
Томас Алва Эдисон (1847–1931), американский изобретатель и предприниматель
Íåçàäîëãî äî ñìåðòè çíàìåíèòûé àìåðèêàíñêèé èçîáðåòàòåëü Ýäèñîí ïîæåëàë îòëè÷èòü ñàìîãî ñìåòëèâîãî þíîøó ñâîåé ñòðàíû, íàçíà÷èâ åìó ùåäðóþ äåíåæíóþ ïîääåðæêó äëÿ äàëüíåéøåãî îáðàçîâàíèÿ. Ñî âñåõ êîíöîâ ðåñïóáëèêè áûëè íàïðàâëåíû ê íåìó ìîëîäûå ëþäè, ïî îäíîìó îò êàæäîãî øòàòà, îòîáðàííûå øêîëüíûì íà÷àëüñòâîì. Ýòè ïîëñîòíè þíîøåé ïîäâåðãëèñü â äîìå Ýäèñîíà ïèñüìåííîìó ýêçàìåíó: îíè äîëæíû áûëè îòâåòèòü íà 60 âîïðîñîâ îñîáîé âèêòîðèíû, ñîñòàâëåííîé èçîáðåòàòåëåì è åãî ñîòðóäíèêàìè. Ñóäüÿìè áûëè ñàì Ýäèñîí, «àâòîìîáèëüíûé êîðîëü» Ôîðä, ïðîñëàâëåííûé ëåò÷èê Ëèíäáåðã è íåñêîëüêî âèäíûõ àìåðèêàíñêèõ ïåäàãîãîâ. Îäèí èç âîïðîñîâ Ýäèñîíîâîé âèêòîðèíû, êîòîðûé ÿ õî÷ó ïðåäëîæèòü è âàì, ñîñòîÿë â ñëåäóþùåì:
Вообразите, что вы очутились на тропическом острове Тихого океана без всяких орудий. Как сдвинули бы вы там с места груз в 3 т, например гранитную глыбу в 100 футов* длины и 15 футов высоты? Çàäà÷à êàæåòñÿ íåðàçðåøèìîé. ×òî ïîäåëàåøü ãîëûìè * 1 фут = 30,48 см. ðóêàìè ñ òðåõòîííîé êàìåííîé ãëûáîé òàêèõ âíóøèòåëüíûõ ðàçìåðîâ? Âíèêíåì, îäíàêî, ïîãëóáæå â çàäà÷ó è ïîñòàðàåìñÿ ïðåäñòàâèòü ñåáå íàãëÿäíî ýòó Ýäèñîíîâó ñêàëó. Ìû çíàåì åå âåñ, äëèíó, øèðèíó, íî îá åå òîëùèíå â çàäà÷å íè ñëîâà íå ñêàçàíî. Ïî÷åìó Ýäèñîí óìîë÷àë î íåé? Íå òóò ëè êðîåòñÿ ðàçãàäêà? Äîçíàåìñÿ æå ñàìè, êàêîâà äîëæíà áûòü òîëùèíà ýòîé ñêàëû. Ïðåæäå âñåãî îïðåäåëèì ïî âåñó åå îáúåì. Ñêàëà ãðàíèòíàÿ, à ñêîëüêî âåñèò êóáè÷åñêèé ìåòð ãðàíèòà, ìû ìîæåì óçíàòü èç ñïðàâî÷íèêà.  «Òàáëèöå óäåëüíûõ âåñîâ»[1] ðàçíûõ ìàòåðèàëîâ íàõîäèì, ÷òî óäåëüíûé âåñ ãðàíèòà, êðóãëûì ÷èñëîì, 3. Ýòî çíà÷èò, ÷òî êóáè÷åñêèé ñàíòèìåòð ãðàíèòà âåñèò 3 ã, èëè êóáè÷åñêèé ìåòð ãðàíèòà âåñèò 3 ò. Îäíî âûòåêàåò èç äðóãîãî, ïîòîìó ÷òî â êóáè÷åñêîì ìåòðå ìèëëèîí êóáè÷åñêèõ ñàíòèìåòðîâ, à â îäíîé òîííå — ìèëëèîí ãðàììîâ. Íî åñëè êàæäûé êóáè÷åñêèé ìåòð Ýäèñîíîâîé ãëûáû âåñèò 3 ò, à âåñó â ãëûáå êàê ðàç 3 ò, òî ÿñíî, ÷òî îáúåì åå — âñåãî îäèí êóáè÷åñêèé ìåòð. Ïðè òàêîì íåáîëüøîì îáúåìå ãëûáà, îäíàêî, ðàñòÿíóëàñü â äëèíó íà 100 ôóòîâ, à â âûñîòó — íà 15 ôóòîâ. Î÷åâèäíî, îíà î÷åíü òîíêà. Ïðèêèíåì, êàêîé îíà òîëùèíû. Îáúåì, êàê èçâåñòíî, ïîëó÷àåòñÿ óìíîæåíèåì
6
7
äëèíû íà øèðèíó è íà òîëùèíó. Ñëåäîâàòåëüíî, ðàçäåëèâ îáúåì íà äëèíó è íà øèðèíó, ìû óçíàåì òîëùèíó. Òàê è ïîñòóïèì ñ îáúåìîì íàøåé ñêàëû: ðàçäåëèì 1 êóáîìåòð ñíà÷àëà íà 100 ôóòîâ (ò. å. íà 30 ì), ïîòîì íà 15 ôóòîâ (ò. å. ïðèìåðíî íà 5 ì), à åùå ëó÷øå — ñðàçó íà 30 × 5, ò. å. íà 150. ×òî æå ïîëó÷èòñÿ? Âñåãî 1/150 ì, èëè îêîëî 7 ìì. Âîò êàêîâà òîëùèíà Ýäèñîíîâîé ñêàëû: òîëüêî 7 ìì! Íà îñòðîâå âîçâûøàåòñÿ, ìû âèäèì, òîíêàÿ ãðàíèòíàÿ ñòåíêà, ñâîåãî ðîäà äèêîâèíêà ïðèðîäû. Îïðîêèíóòü ïîäîáíóþ ñòåíêó íè÷óòü íå òðóäíî äàæå ãîëûìè ðóêàìè: íàïåðåòü íà íåå ïîêðåï÷å èëè íàâàëèòüñÿ íà íåå ñ ðàçáåãó — è îíà íå óñòîèò.
Вот какова скала в задаче Эдисона
ÎÒ ÌÎÑÊÂÛ ÄÎ ÏÅÒÅÐÁÓÐÃÀ* Âû ñåé÷àñ óáåäèëèñü, êàê ïîëåçíî çíàòü òî, ÷òî â ôèçèêå è òåõíèêå íàçûâàåòñÿ «óäåëüíûì âåñîì» ìàòåðèàëà, ò. å. âåñ îäíîãî åãî êóáè÷åñêîãî ñàíòèìåòðà (â ãðàììàõ). Åñëè âàì èçâåñòíî, íàïðèìåð, ÷òî óäåëüíûé âåñ æåëåçà îêîëî 8, òî âû ñìîæåòå îïðåäåëèòü ïðîñòûì ðàñ÷åòîì âåñ ëþáîãî æåëåçíîãî èçäåëèÿ, çíàÿ òîëüêî åãî îáúåì. Äëÿ ýòîãî âàì íå ïîíàäîáèòñÿ êëàñòü èçäåëèå íà âåñû, à äîñòàòî÷íî òîëüêî óìíîæèòü ÷èñëî êóáè÷åñêèõ ñàíòèìåòðîâ åãî îáúåìà íà 8. ×àñòî ýòî åäèíñòâåííûé ñïîñîá óçíàòü âåñ òåëà, — íàïðèìåð, êîãäà òðåáóåòñÿ îïðåäåëèòü çàðàíåå, ñêîëüêî áóäåò âåñèòü èçäåëèå, åùå íå èçãîòîâëåííîå, à òîëüêî îáîçíà÷åííîå íà ðàáî÷åì ÷åðòåæå. Âîçüìåì òàêóþ çàäà÷ó:
Сколько весит железная телеграфная проволока, соединяющая Москву с Петербургом? Толщина проволоки 4 мм, длина 650 км. Ðåøèòü ýòó çàäà÷ó ìîæíî, êîíå÷íî, òîëüêî ðàñ÷åòîì, — íå ñìàòûâàòü æå ïðîâîëîêó ñ òåëåãðàôíûõ ñòîëáîâ! Íàéäåì ñíà÷àëà îáúåì ïðîâîëîêè. Äëÿ ýòîãî, ïî ïðàâèëàì ãåîìåòðèè, íóæíî âåëè÷èíó ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ïðîâîëîêè óìíîæèòü íà åå äëèíó. Ïëîùàäü ñå÷åíèÿ íàøåé ïðîâîëîêè åñòü ïëîùàäü êðóæêà äèàìåòðîì 4 ìì, èëè 0,4 ñì. Îíà ðàâíà, êàê ó÷èò ãåîìåòðèÿ:
Äëèíà æå ïðîâîëîêè
8
9
Çíà÷èò, îáúåì ïðîâîëîêè
à êðóãëûì ñ÷åòîì — 8 ìëí ñì3. Òàê êàê êàæäûé êóáè÷åñêèé ñàíòèìåòð æåëåçà âåñèò, ìû çíàåì, 8 ã, òî âåñ ïðîâîäà Ìîñêâà — Ïåòåðáóðã ðàâåí:
Ýòî, ïðèìåðíî, âåñ ïàðîâîçà. Åñëè áû íà îäíó ÷àøêó âåñîâ ìîæíî áûëî ïîëîæèòü ìîòîê òåëåãðàôíîé ïðîâîëîêè, ñîåäèíÿþùåé Ìîñêâó ñ Ïèòåðîì, òî íà äðóãóþ ÷àøêó íàäî áûëî áû äëÿ ðàâíîâåñèÿ âêàòèòü öåëûé ïàðîâîç*. * Современному школьнику будет Ñõîäíûì ðàñ÷åòîì ìîãëè áû âû óçíàòü, ñêîëüêî òîíí понятнее, если ïðîâîëîêè ïîíàäîáèëîñü áû äëÿ òåëåãðàôíîãî ñîåäèмы скажем, íåíèÿ Çåìëè ñ Ëóíîé, — íóæäû íåò, ÷òî íà äåëå ïðîчто это масса железнодорожного òÿíóòü òàêîé ïðîâîä íåâîçìîæíî. Ðàç èçâåñòíî ðàñкупейного вагона ñòîÿíèå îò Çåìëè äî Ëóíû, çàäàíà òîëùèíà ïðîâîëîêè с пассажирами. è èìååòñÿ óäåëüíûé âåñ ìàòåðèàëà, òî âñå îñòàëüíîå ìîæíî âûïîëíèòü ïðîñòî êàðàíäàøîì íà áóìàãå. Ñåé÷àñ ìû ïðîäåëàåì åùå áîëåå óäèâèòåëüíûé ðàñ÷åò â ýòîì ðîäå.
ÎÒ ÇÅÌËÈ ÄÎ ÑÎËÍÖÀ ×òî ìîæåò áûòü íåæíåå è òîíüøå ïàóòèííîé íèòè? Òîíêîñòü åå âîøëà â ïîãîâîðêó, è íåäàðîì: íèòü ïàóòèíû â äåñÿòü ðàç òîíüøå âîëîñà; ïîïåðå÷íèê åå ðàâåí òîëüêî 0,005 ìì. Ýòîé íåîáû÷àéíîé òîíêîñòüþ îáúÿñíÿåòñÿ ëåãêîñòü ïàóòèíû, ïîòîìó ÷òî ñàì ïî ñåáå ìàòåðèàë åå íå òàê óæ ëåãîê. Óäåëüíûé åãî âåñ, ò. å. âåñ 1 ñì3, ñîñòàâëÿåò 1 ã; çíà÷èò, ïàóòèíà òÿæåëåå äóáîâîé äðåâåñèíû, è òîëüêî ñâîåé èñêëþ÷èòåëüíîé òîíêîñòè îáÿçàíà îíà òåì, ÷òî âåñèò òàê íè÷òîæíî ìàëî. Òåïåðü ìû ñîîáùèëè ÷èòàòåëþ âñå äàííûå äëÿ ðåøåíèÿ ñëåäóþùåé èíòåðåñíîé çàäà÷è (ïðèäóìàííîé ôèçèêîì A. B. Öèíãåðîì):
Сколько весила бы паутина, протянутая от Земли до Солнца, т. е. на расстоянии 150 млн км? Îòâåòèòü, äàæå ïðèáëèçèòåëüíî, íà ýòîò âîïðîñ, íå ïðîèçâîäÿ ðàñ÷åòà, åäâà ëè êîìó óäàñòñÿ: ðàññòîÿíèå äî Ñîëíöà ñëèøêîì îãðîìíî, à ïàóòèíà ÷åðåñ÷óð òîíêà, ÷òîáû âîçìîæíî áûëî ïðåäóãàäàòü îòâåò. Ïðîèçâåäåì æå âûêëàäêè; îíè òå æå, ÷òî è äëÿ òåëåãðàôíîé ïðîâîëîêè ïðåäûäóùåé çàäà÷è.
10