Авторы этой книги – лауреат Ленинской и Нобелевской премий академик Л.Д. Ландау и профессор А.И. Китайгородский – в доступной форме излагают начала общего курса физики.
Примечательно, что вопросы атомного строения вещества, теория лунных приливов, теория ударных волн, теория жидкого гелия и другие подобные вопросы изложены вместе с классическими разделами механики и теплоты. Подобная тесная связь актуальных проблем физики с ее классическими понятиями, их взаимная обусловленность и неизбежные противоречия, выводящие за рамки классических понятий, – все это составляет сущность современного подхода к изучению физики.
Новое, свежее изложение делает книгу полезной для самого широкого круга читателей.
Предисловие
Первый вопрос, который задает себе читатель, беря эту книгу в руки, – для кого это «для всех»?
Конечно, доля преувеличения в этом названии есть. Для читателя этой книги достаточно знакомства с основами школьной алгебры. Знаний по физике не нужно: она может быть Вашей первой книгой о физике. Возможно, однако, книга окажется интересной и для тех, кто избрал физику своей специальностью.
Мы старались писать эту книгу легким и простым языком, мы не отказали себе в удовольствии кое-где пошутить с читателем. Но это совсем не значит, что наша «Физика для всех» – легкая книга. Многие ее страницы нужно читать долго и внимательно; для того чтобы понять физику, приходится очень часто задумываться крепко и напряженно.
Основное внимание в книге уделено фундаментальным законам и понятиям физики. Однако мы старались не забыть об иллюстрациях из жизни и техники, правда, не имея целью сколько-нибудь вдаваться в неисчерпаемую область приложений физики.
Небольшое число исторических отступлений посвящено исключительно основаниям физики, но не ее приложениям.
I. Основные понятия
О сантиметре и секунде
Всем приходится измерять длину, отсчитывать время и взвешивать разные 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 вес, 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 вес макового зернышка.
Техника измерений начала развиваться всего несколько сот лет назад, и относительно совсем недавно условились о том, какой отрезок длины и вес 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 самые названия единиц, например «локоть» – расстояние от локтя до кончиков пальцев вытянутой руки, дюйм – ширина большого пальца у его основания. Для измерения использовали и ногу – отсюда название длины «фут» – длина ступни (по английски foot – ступня).
Вес и масса
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, выраженную в килограммах (рис. 1,
а
). Для измерения веса используют не только растягивающуюся, но и сжимающуюся пружину (рис. 1,
б
). Используя пружины разной толщины, можно изготовить весы для измерения и очень больших и очень малых тяжестей. На этом принципе основано устройство не только грубых торговых весов, но и очень точных приборов, применяющихся для физических измерений.
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. 2).
Плотность
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 (см
3
) тела, – после числа ставят символ г/см
3
. Для определения плотности число граммов надо разделить на число кубических сантиметров; дробная черта в символе напоминает об этом.
К самым тяжелым материалам относятся некоторые металлы – осмий, плотность которого равна 22,5 г/см
3
, иридий (22,4), платина (21,5), вольфрам и золото (19,3). Плотность железа равна 7,88, плотность меди – 8,93.
Наиболее легкими металлами являются магний (1,74), бериллий (1,83) и алюминий (2,70). Еще более легкие тела нужно искать среди органических веществ: различные сорта дерева и пластических масс могут иметь плотность вплоть до 0,4.
Закон сохранения массы
Если растворить сахар в воде, то масса раствора будет строго равна сумме масс сахара и воды.
Этот и бесчисленное количество подобных опытов показывают, что масса тела есть неизменное свойство. При любом дроблении и при растворении масса остается одной и той же.
То же самое имеет место и при любых химических превращениях. Сгорел уголь. Тщательными взвешиваниями можно установить, что масса угля и кислорода воздуха, который был затрачен на горение, будет в точности равна массе продуктов сгорания.
Последний раз закон сохранения массы проверялся в конце XIX века, когда техника точного взвешивания была уже очень сильно развита. Оказалось, что при любых химических превращениях масса не изменяется даже на ничтожнейшую долю своей величины.
Еще древние считали, что масса неизменна. Впервые настоящей проверке опытом этот закон подвергся в 1756 г. Сделал это и показал научное значение закона Михаил Васильевич Ломоносов, доказавший опытами в 1756 г. сохранение массы при обжиге металла.