Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила - [97]
а) Какое ускорение испытывает атом в поле?
б) Почему в этой задаче можно пренебречь силой тяжести?
(Примечание. Приведенные данные типичны для экспериментов с протонами.)
в) По какой траектории движется атом?
г) За какое время атом пройдет по горизонтали 0,20 м, т. е. область электрического поля?
д) Какова величина вертикального перемещения атома в поле?
е) Какую вертикальную скорость приобретает атом в поле?
ж) Пройдя 0,20 м в электрическом поле, атом водорода попадает в область, где поле отсутствует. По какой траектории атом будет при этом двигаться? (Сформулируйте ваш ответ как можно точнее. Дайте рисунок.)
Задача 25
Электрон, обладая такой же скоростью, как протон в задаче 24,пролетает через то же самое электрическое поле. Какова будет его траектория по сравнению с траекторией протона? Объясните просто, в чем будет разница.
(Примечание. Электрон обладает таким же по величине, но противоположным по знаку электрическим зарядом, как протон, поэтому одно и то же электрическое поле будет действовать на него с такой же силой, но в противоположном направлении. При этом масса электрона составляет всего около 1/2000 массы протона.)
Задача 26
В задачах, приводимых в этом курсе, масса человека принята равной 100 кг (она всюду одна и та же: на Земле, на Луне и т. д.). При пользовании соотношением F = M∙а в качестве массы человека М нужно брать 100 кг. На поверхности Земля действует на человека с силой притяжения, называемой «весом» человека.
а) Какое значение этой силы следует подставить в качестве F в соотношение F = M∙а? В каких единицах?
б) Объясните, как вы получили значение F?
е) Какие опытные данные и какие рассуждения позволили вам получить множитель, которым вы воспользовались при вычислении значения F?
г) Будет ли этот множитель на Луне таким же или другим?
Задача 27
Есть два различных способа сравнения масс двух тел. Какие это способы и чем они по существу отличаются?
Задача 28. Подготовка к рассмотрению теории относительности
Предположим, что ми проделываем следующие эксперименты для проверки первого и второго законов Ньютона:
а) Наблюдаем движение брикета «сухого льда» (твердая двуокись углерода) по горизонтальной поверхности стола.
б) Тянем небольшую тележку по горизонтальному рельсовому пути, прилагая к ней измеренную силу (трение «устранено» соответствующим наклоном рельсового пути).
В этих опытах мы демонстрируем, что:
— постоянная сила сообщает постоянное ускорение;
— при неизменной массе движущегося тела (ускорение) ~ (сила);
— при постоянном ускорении (сила) ~ (масса).
Таким образом мы приходим к выводу, что
F ~= M∙а.
Представим себе теперь, что эти опыты проделывают внутри железнодорожного вагона в каждом из указанных ниже случаев, и предположим, что вагон служит нам системой отсчета (системой координат). Рельсовые пути в опыте (б) параллельны полотну железной дороги. Как вы думаете, что мы будем наблюдать и будет ли нам казаться, что наблюдения согласуются с первым и вторым законами Ньютона?
Случай 1. Вагон неподвижен.
Случай 2. Вагон движется с постоянной скоростью, без ускорения.
Случай 3. Вагон движется по горизонтальному участку железной дороги вперед с постоянным ускорением (движение тел в опытах, проводимых внутри вагона, происходит в направлении полотна железной дороги).
Фиг. 188. К задаче 28.
Задача 29
В случае 3 задачи 28 должны, наблюдаться странные вещи. Предположим, что экспериментатор, пытаясь истолковать их, проделывает следующие дополнительные опыты:
в) Устанавливает маятник, который служит ему линией отвеса, и может наблюдать «вертикаль». Кроме того, устанавливает в вагоне ведро с водой (или еще лучше с маслом или патокой) и может наблюдать «горизонталь».
Что будет наблюдать экспериментатор?
г) Пытаясь во что бы, то ни стало сохранить свою веру в законы природы, которые он раньше зазубрил, экспериментатор нанимает плотника и строит внутри вагона лабораторию, наклоненную под таким углом, чтобы линия отвеса и поверхность воды были параллельны стенам и полу новой лаборатории, — «вертикаль» и «горизонталь» кажутся теперь нормальными. Что будет наблюдать экспериментатор, если он повторит опыты (а) и (б) (см. задачу 28) в этой лаборатории, относя свои наблюдения к новому «горизонтальному» полу и новым «вертикальным» стенам?
д) Предположим, что наклонная лаборатория не имеет окон и к экспериментатору не поступает извне никакой информации о том, что он движется с ускорением. В этом случае вместо того, чтобы сделать вывод об ускоренном движении, экспериментатор мог бы заключить, что некоторая обычная физическая величина приняла в его лаборатории новое значение. Какая именно величина? Какого рода изменения с ней произошли?
е) Сможет ли вообще такой экспериментатор посредством опытов внутри вагона отличить действительное ускорение от изменения, о котором было сказано выше?
