Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ

Необходимо проследить за какими-нибудь опытами по ускоренному движению и проделать их самим. Эти опыты не только заставят вас почувствовать, что экспериментальная база науки более реальна, чем это казалось раньше, но позволят вам с большим доверием отнестись к огромному множеству накопленных наукой экспериментальных доказательств. Галилей по существу лишь высказал мудрые предположения, другие исследователи дополнили их тщательными измерениями, и вам следует проделать кое-какие измерения и высказать свои взгляды.

Опыт 1. Возьмем небольшую тележку, пустим ее вниз по длинной установленной наклонно доске и измерим ускоренно тележки. Измерять скорости в лекционном опыте — задача не простая, но, чтобы показать, как определяется ускорение, достаточно приближенной оценки. Мы измеряем скорость тележки в каком-либо пункте А , в начале движения тележки, а затем еще раз — в пункте В , расположенном несколько ниже. Разность между этими скоростями дает нам приращение скорости Δv . Промежуток временя Δt , в течение которого скорость возрастает на указанную величину, представляет собой время, за которое тележка перемещается из А в B . Тогда ускорение равно Δv/Δt .

Чтобы измерить Δt , укрепим на тележке тонкий стержень М и измерим с помощью секундомера время, за которое М перемещается от А до В .

Чтобы оценить скорость тележки в точке A , мы должны зафиксировать промежуток времени, в течение которого тележка проходит короткий путь в окрестности точки А . Мы могли бы установить в этом месте короткую доску, середина которой совпадала бы с точкой А , как на фиг. 6, и измерить время, за которое стержень переместится на длину доски.

Фиг. 6. Демонстрационный опыт.

Однако при измерении коротких промежутков времени ошибки оказываются слишком большими, поэтому лучше установить доску на движущейся тележке и измерять время ее прохождения мимо точки А с помощью фотоэлемента. На фиг. 7 показана удачная схема эксперимента.

Фиг. 7. Схема опыта, в котором с помощью двух фотоэлементов и трех электрических часов измеряется ускорение тележки при движении по наклонной плоскости.

Электрическая схема включения часов и фотоэлемента для пункта А такая же, как для пункта В . Часы С для измерения продолжительности движении тележки не показаны; ими управляет сам экспериментатор.

Луч света падает под прямым углом к направлению движения тележки и попадает на фотоэлемент, в цепи которого при освещении возникает электрический ток. Этот ток усиливается и используется для приведения в действие электромагнита. Электромагнит связан с электрическими часами и удерживает их в выключенном состоянии. Когда пучок света перекрывается, электромагнит выключается и часы начинают идти. На тележке укреплен лист картона, который перекрывает пучок света, пока тележка проходит соответствующий отрезок пути. Таким образом, часы идут в то время, пока тележка проходит мимо фотоэлемента в точке А , и регистрируют время, за которое картон перемещается мимо пучка света. За это время тележка должна пройти расстояние, равное длине картона. Тогда величина

ДЛИНА КАРТОНА / ВРЕМЯ ЗАТЕМНЕНИЯ

дает скорость тележки.

Нам потребуется трое часов: одни для измерения общей продолжительности движения между двумя пунктами А и В , в которых определяются скорости, другие для измерения того времени, когда картон проходит мимо пункта А , и третьи — для таких же измерений в пункте В .

Приведенная ниже задача иллюстрирует расчет ускорения.

Задача 5

Предположим, что длина картона, укрепленного на тележке, равна 60 см, а затемнение в пункте А продолжается 0,30 сек. Какова скорость тележки при прохождении пункта А ? Если продолжительность затемнения в пункте В равна 0,10 сек, то чему равна скорость тележки а пункте В ? Чему равно приращение скорости Δv ? Если тележка проходит путь от А до В за 2,0 сек, то чему равно ее ускорение?

В задаче 5 ничего не говорится о том, что движение начинается из состояния покоя. Тележка, проходя мимо пункта А , находится в движении, и мы можем сообщить ей любой начальный толчок.