Что проверял галилей бросая пулю и ядро с пизанской башни
Проверка Галилея: Пушинка против ядра
В 1971 г. Находившийся на Луне астронавт Дейв Скотт (Dave Scott) вытянул руки на уровне плеч, держа в одной молоток, а в другой — перо. Затаив дыхание, мир наблюдал за происходящим на телеэкранах. Это было странное зрелище: перо не просто упало, оно рухнуло вниз (запись можно скачать в виде ролика в формате MOV). В отсутствие атмосферы оба предмета коснулись поверхности Луны строго одновременно: «А все-таки, мистер Галилей был прав», — подытожил астронавт. Ускорение, которое придает гравитация, не зависит от массы или материала, из которого изготовлен предмет. В эйнштейновской теории гравитации это называется принципом эквивалентности: взаимозаменяемость гравитационного поля или ускорения, неинерциальности системы отсчета.
Впрочем, погрешность эксперимента Галилея составила около 1%, оставляя вполне достаточно сомнений для скептиков. Максимальная точность, достижимая с помощью современных инструментов — например, измерение скорости обращения Луны с помощью лазерного зондирования, достигает триллионных долей. Но и это не успокаивает сомнений: что, если открытый Галилеем принцип «не работает» на еще более микроскопическом уровне? «Остается еще крохотная вероятность, которую стоит исследовать, — утверждает астроном Клиффорд Уилл (Clifford Will). — Обнаружение микроскопических отклонений во влиянии гравитации на различные по химическому составу объекты будет иметь серьезнейшие последствия». В самом деле, это было бы первым серьезным экспериментальным доказательством в пользу струнной теории.
В рамках струнной теории элементарные частицы, из которых построена материя, представляются как вибрации бесконечно тонких, одномерных струн. Она объясняет многие загадки фундаментальной физики, но и сама остается довольно противоречивой. Существуют несколько соперничающих друг с другом вариантов теории. А главное — размеры суперструн таковы, что наблюдать их еще долгие годы вряд ли будет возможным. Некоторые варианты струнной теории теоретически показывают существование крайне слабых сил, влияющих на гравитационные взаимодействия объекта в зависимости от его состава. Так что обнаружение отклонений от открытого Галилеем принципа хотя и не подтвердит теорию окончательно и бесповоротно, но даст ей серьезную поддержку.
Однако наблюдение таких отклонений (если они существуют) — весьма непростая задача. Гравитация и сама по себе довольно слабая сила, примерно в 1036 раз слабее электромагнитного взаимодействия. А отклонения, по расчетам теоретиков-«суперструнников», слабее еще на 1013 порядков. Вдобавок, они должны зависеть от материала — подобно тому, как электромагнитные свойства проявляются железом, но не пластмассой. К примеру, согласно некоторым версиям теории суперструн, новые силы проявляются во взаимодействии с электромагнитной энергией вещества. К примеру, положительно заряженный протон и электрически нейтральный нейтрон с точки зрения общепринятой теории гравитации рассматриваются как эквивалентные, поскольку имеют практически равные массы. Но по ряду предположений, гравитационные свойства, которые они проявляют, будут слегка различны.
До сих пор не существует ни единого экспериментального доказательства этих предположений, и вот недавно сразу несколько групп ученых предложили провести космические миссии, способные провести измерения с ранее недоступной точностью. «Фактически, все, что требуется, — это измерить крохотные различия в ускорениях тел из разных веществ, — говорит Клиффорд Уилл. — На Земле время падения ограничено, но объект на околоземной орбите падает буквально постоянно, и мельчайшие различия со временем усиливаются настолько, что могут стать заметными».
Миссия STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle) разрабатывается в Стэнфордском университете. Точность его достигает одной миллионной от триллиона (10−18), в 100 000 раз чувствительней современных аналогов. Для измерений используется не два, а сразу четыре объекта из бериллия и ниобия — это позволяет снизить влияние различных ошибок и неточностей. Все объекты помещаются в наполненный жидким гелием сосуд Дьюара, который защитит их от температурных колебаний, а резервуар окружен щитом из сверхпроводника, ограждающего его от внешних электромагнитных полей. Двигатели малой тяги должны скомпенсировать эффект от торможения спутника остатками атмосферы. В таких условиях все тестируемые образцы должны сохранить при свободном падении взаимное расположение. Но если новый компонент гравитационных сил и вправду существует, они немного сместятся друг относительно друга.
ГДЗ по физике 7 класс Генденштейн, Булатова БИНОМ Лаборатория знаний Задание: §3 Наблюдения и опыты Научный метод
Вопросы к параграфу
Наблюдение: резиновый шарик не тонет в воде;
Гипотеза: чем меньше воздуха в шарике, тем легче его утопить;
Опыт: возьмем футбольный мяч, будем постепенно выпускать из него воздух и каждый раз пробовать утопить.
Наблюдение: при заливании чайного пакетика кипятком, чай в чашке заваривается быстрее, чем при заливании холодной водой;
Гипотеза: скорость диффузии прямо пропорциональна температуре тела;
Опыты: заливание чайного пакетика водой разной температуры и измерение времени, необходимого для заварки.
Наблюдение: после толчка брусок скользит по столу, и через некоторое время останавливается;
Гипотеза: существует сила трения, которая зависит от свойств поверхности;
Опыты: толчки бруска по разным поверхностям, а также с использованием смазочных материалов.
Наблюдая за сменой дня и ночи, можно высказать гипотезы о том, что Земля круглая, что она вращается вокруг своей оси, и что она вращается вокруг Солнца.
Наблюдение: при скрывании корабля за линией горизонта сначала исчезает корпус корабля, а затем мачта;
Гипотеза: Земля круглая;
Опыт: кругосветное плавание.
Дополнительные вопросы и задания
Базовый уровень
Опыт отличается от наблюдения тем, что для опыта создаются особые условия протекания физического явления с целью проверки справедливости той или иной гипотезы.
Научный метод изучения природы заключается в рассмотрении наблюдения, выдвижении гипотезы и проверки ее на опытах.
Гипотеза: различие в падении тел обусловлено только сопротивлением воздуха;
Опыт: проверка скорости падения шарика и перышка в трубке до и после откачивания воздуха.
Наблюдение: при поднесении блюдца к носику кипящего чайника, на блюдце появляются капельки воды;
Гипотеза: из носика чайника выходит водяной пар.
Повышенный уровень
Экспериментальные факты: льдинка плавает в стакане с водой; дробинка тонет в воде;
Гипотеза: при отсутствии трения тело будет двигаться по прямой с постоянной скоростью сколь угодно долго.
Наблюдение: после толчка брусок скользит по столу, и через некоторое время останавливается;
Гипотеза: существует сила трения, которая зависит от свойств поверхности;
Научный эксперимент: толчки бруска по разным поверхностям, а также с использованием смазочных материалов.
Высокий уровень
Гипотеза, которую проверял Галилей, бросая пулю и пушечное ядро с Пизанской башни: тяжелое тело всегда падает быстрее, чем легкое. Галилей опроверг эту гипотезу.
Наблюдая за солнечными и лунными затмениями, за сменой дня и ночи, за сменой времен года, можно высказать гипотезы о том, что Земля круглая, что она вращается вокруг своей оси, и что она вращается вокруг Солнца.
Гипотеза: белый свет является смесью всех цветов радуги;
Опыт: пропускание через призму узкого пучка зеленого цвета. Если он не изменит ни форму, ни цвет, то опыт подтвердит гипотезу.
Домашняя лаборатория
Наблюдение: металлический шарик падает быстрее, чем лист бумаги;
Гипотеза: более тяжелые тела всегда падают быстрее, чем легкие;
Опыт: проверка, что монета падает быстрее, чем перышко.
Наблюдение: капли воды в масле движутся вниз, и в результате вода оказывается на дне, ниже уровня масла;
Гипотеза: жидкости меньшей плотности располагаются выше, чем жидкости большей плотности;
Опыт: смешивание жидкостей различных плотностей.
Галилео Галилей и его закон свободного падения
Содержание:
В закон свободного падения Галилео Галилей устанавливает, что расстояние, пройденное телом, которое свободно высвобождается с определенной высоты, пропорционально квадрату времени, затраченного на его прохождение.
А поскольку время зависит только от высоты, при падении с одной и той же высоты все тела ударяются о землю одновременно, независимо от их массы.
Галилей, один из самых блестящих ученых всех времен, родился в итальянском городе Пиза в 1564 году.
К тому времени аристотелевские убеждения о природе движения разделялись большей частью научного сообщества. Аристотель (384–322 гг. До н.э.) был известным древнегреческим мыслителем, который воплотил свои убеждения о науке в 200 работах, которые он, как полагают, написал за всю свою жизнь.
До наших дней сохранилась лишь 31 из этих работ, и в них греческий философ объяснил свое видение природы, известное как Аристотелевская физика. Один из его постулатов заключается в следующем: когда два тела падают с одинаковой высоты, самое тяжелое всегда достигает земли первым.
Галилей подверг испытанию эту глубоко укоренившуюся веру и таким образом начал развитие экспериментальной науки, революцию, которая привела человечество к его первым шагам за пределами Земли и расширила известную Вселенную до неожиданных размеров.
Эксперименты Галилея
Сегодня нас учат, что все объекты, независимо от их массы, достигают земли в одно и то же время, когда их сбрасывают с определенной высоты. Это потому, что все без исключения движутся с одним и тем же ускорением: ускорением свободного падения. Конечно, если пренебречь сопротивлением воздуха.
Мы можем проверить это, одновременно уронив тяжелый и легкий предмет с одной и той же высоты, например камень и скомканный лист бумаги, и увидим, как они одновременно достигают земли.
Галилей в Пизанской башне
Галилей был полон решимости проверить аристотелевские убеждения путем тщательных экспериментов и математических разработок. Легенда гласит, что он бросал предметы с вершины знаменитой Пизанской башни, измеряя время, необходимое для каждого падения.
Но говорят, что однажды Галилей собрал много людей у подножия башни, чтобы убедиться, что на самом деле два тела разной массы достигли земли одновременно.
Однако итальянский физик записал в своих книгах другие эксперименты по изучению движения и, таким образом, выяснению того, как движутся предметы.
Усеченный маятник
Среди множества экспериментов Галилея был один, в котором он использовал маятник, в который он забил гвоздь в некоторой промежуточной точке между началом движения и самым нижним положением.
Этим он намеревался усечь маятник, то есть укоротить его. Как только маятник ударяется о гвоздь, он возвращается в исходную точку, что означает, что скорость маятника зависит только от высоты, с которой он был выпущен, а не от массы, которая висела на маятнике.
Этот эксперимент вдохновил его на следующий, один из самых замечательных, проведенных великим физиком и с помощью которого он установил принципы кинематики.
Наклонная плоскость экспериментов
Эксперимент, который привел Галилея к формулированию закона свободного падения, касался наклонной плоскости, по которой он позволял свинцовым сферам катиться с разной высоты и с разным наклоном. Он также попытался поднять сферы вверх и измерить высоту, которую они достигли.
Почему Галилей решил использовать наклонный самолет, если хотел увидеть, как падают тела?
Очень просто: потому что не было подходящих часов для точного измерения времени падения. Тогда у него возникла гениальная идея: замедлить падение, «сгладив» гравитацию через устройство.
Этапы эксперимента
Галилей выполнил следующую последовательность и повторил ее «примерно сто раз», чтобы быть уверенным, как он заявил в своей книге. Диалоги о двух новых науках:
-Он взял рубанок из полированного дерева длиной около 7 м, который он заказал у плотника, и поместил его под определенным углом наклона, не очень большим.
Он позволил сфере скатиться с горы на определенном расстоянии.
-Он измерил время в пути.
Он повторил вышесказанное с возрастающими наклонностями.
Наблюдения Галилея
Галилей заметил, что независимо от угла наклона:
— Пройденное расстояние было пропорционально квадрату затраченного времени.
И он пришел к выводу, что это было бы верно, если бы пандус был вертикальным, что, безусловно, равносильно свободному падению.
Формула
Две наклонные плоскости, обращенные друг к другу
Галилей не только позволил сферам скатиться по плоскости, он также столкнулся с двумя наклонными плоскостями, чтобы увидеть, насколько высоко сфера может скользить.
И он обнаружил, что сфере удалось подняться на ту же высоту, с которой она начиналась. Затем угол наклона второй плоскости уменьшали, как показано на рисунке ниже, до тех пор, пока она не стала полностью горизонтальной.
Во всех случаях сфера достигала высоты, аналогичной начальной. А когда вторая плоскость стала горизонтальной, сфера могла двигаться бесконечно, если только трение не замедлило ее понемногу.
Вклад экспериментов Галилея
Галилей считается вместе с Исааком Ньютоном отцом физики. Вот некоторые из вкладов его экспериментов в науку:
— Концепция ускорения, фундаментальная в изучении кинематики тел, таким образом, Галилей заложил основы ускоренного движения, а вместе с ним и основы механики, которые Исаак Ньютон позже усилил своими тремя законами.
-Он также подчеркнул важность силы трения, силы, которую Аристотель никогда не рассматривал.
-Галилей показал, что непрерывное действие силы не требуется для поддержания движения тела, так как при отсутствии трения сфера продолжает бесконечно двигаться по поверхности плоскости.
Ссылки
Продукты, богатые витаминами группы B (разные типы)
Эффект Струпа: что это такое и как его используют для диагностики
Чем знаменита пизанская башня?
На Площади Чудес в итальянском городе Пиза стоит башня, которая поражает красотой и сильным наклоном, словно она застыла в падении (рис. 3.3, а). Башня начала наклоняться, когда её ещё строили — в 12-м веке. Но её всё-таки достроили, и она стоит до сих пор.
Сегодня Пизанская башня, наверное, самая знаменитая башня в мире. И не только из-за её редкой красоты и ещё более редкого наклона. Она — «живой» свидетель легенды, которой более четырёх веков. Согласно этой легенде с Пизанской башни Галилей бросал пулю и пушечное ядро, чтобы на опыте опровергнуть учение Аристотеля о падении тел. Древнегреческий учёный утверждал, что тяжёлое тело всегда падает быстрее, чем лёгкое, а Галилей предполагал, что различие в падении тел обусловлено только сопротивлением воздуха. Поэтому он и выбрал для своего опыта пулю и ядро: для них роль сопротивления воздуха при падении невелика.
Рис. 3.3. Наклонная Пизанская башня, на которой Галилей проводил знаменитый опыт (а); пуля и ядро падают одинаково (б)
Почему же это считают легендой? Увы, нет документальных подтверждений, что этот красивый опыт проводил сам Галилей. Но легенда всё-таки жива, и благодаря ей Пизанская башня стала символом опыта как главного способа проверки истинности. А день, когда был проведён этот опыт, считают днём рождения физики как опытной науки, потому что научное изучение природы началось тогда, когда учёные перешли от наблюдений к опытам.
Что проверял галилей бросая пулю и ядро с пизанской башни
Башня в Пизе
Наклонная башня в итальянском городе Пизе сейчас доставляет массу хлопот. Она наклоняется все больше и грозит вообще упасть. Итальянцы, кажется, всерьез забеспокоились и решили укрепить это уникальное архитектурное сооружение. Пока, правда, лишь разрабатываются проекты. Но надо надеяться, Пизанская башня будет спасена и сохранена.
Четыре века назад молодой профессор Пизанского университета Галилей (в ту пору еще не снискавший славы всемирно известного физика, даже не сделавший еще окончательного выбора между медициной, живописью и философией) бросал с этой башни пушечные ядра и мушкетные пули. И смотрел, как они падают.
Пули и ядра падали одинаково быстро, и Галилей восхищенно удивлялся этому. Удивлялся потому, что с детских лет его учили догме: тяжелое падает быстрее легкого, и тем быстрее, чем оно тяжелее. В старых книгах это утверждение выдавалось за непререкаемую истину, ибо так заявил в свое время величайший из мыслителей древности Аристотель.
Галилей осмелился кощунственно проверить и отвергнуть это мнение, призвав в свидетели природу. Так он совершил первое великое дело своей жизни, положил начало экспериментальной физике.
Громкие слова эти сказаны не напрасно. Наблюдение и вывод Галилея были научным подвигом, блестящим прозрением человеческого ума, переломом в научном взгляде на мир.
Тогда не принято было апеллировать к природе в решении научных задач. Считалось, что все на свете объяснимо одними лишь рассуждениями. А потому важные коллеги молодого профессора, собравшиеся внизу, у подножия башни, не желали верить своим глазам! осыпали Галилея суровыми упреками, не хотели слушать его слов. И они были отнюдь не глупцами. Нет, они были людьми просвещенными, знали древние языки! умели толковать античные тексты, разбирались в математике, находили удовольствие в философских диспутах, где изощрялись в красноречии и формальной логике. Но к естественности, к живому физическому явлению они питали надменное равнодушие.
Галилей тоже был сыном своей эпохи. И он не чурался витиеватой мудрости голых рассуждений. И он упражнялся в богословии. И чтил Аристотеля, ревностно его штудировал. И сперва послушно шел по его стопам. А потом сумел в нем усомниться!
На такое, правда, кое-кто решался и до Галилея.