Что проверял на опыте 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.