Физика для любознательных. Том 3. Электричество и - Страница 124

124

Если в вашем распоряжении имеются камертон, органные трубы и т,д., поэкспериментируйте также и с ними.

Попробуйте получить «биения», создаваемые двумя высокими звуками различной частоты. Для этой цели подойдут любые два камертона, две органные трубы или два студента, свистящие не в тон. Разность тонов, один из которых по высоте на две октавы выше первой октавы, а другой на один-два тона ниже первого, прекрасно демонстрирует эффект.

Фиг. 103. Микрофон с угольным порошком.

ОПЫТЫ НА БОЛЕЕ СОВРЕМЕННОМ УРОВНЕ

Другие опыты по изучению или демонстрации достижений физики нашего века сформулированы в доступном для вашей лабораторной работы виде. (Опыты в оригинальной постановке либо слишком дороги, либо слишком сложны, чтобы их можно было выполнить в ограниченный отрезок времени.) Некоторые из приводимых ниже опытов уже выполнимы, другие обещают быть таковыми:

...

11. Опыт Милликена. Измерение заряда электрона.

12. Радиоактивный распад. Измерение времени полураспада (см. гл. 39).

13. Альфа-частицы. Пробег, опыты по рассеянию.

14. Свойства бета- и гамма-лучей.

15. Опыты с нейтронами.

16. Камеры Вильсона (расширяющиеся или диффузионные).

17. Изучение треков атомных частиц в фотоэмульсиях.

18. Самодельная радиолампа (с высоким вакуумом, полученным путем испарения металлической проволоки для связывания остаточного газа на стенках).

19. Фотоэлектрический эффект и квантовые постоянные. Измерение отношения h/e.

20. Измерение размеров молекулы по средней длине свободного пробега путем пропускания пучка атомов через газ с низким давлением.

Предварительные задачи к главе 42

...

Задача 1. Простейшие формулы для циклотрона

[Циклотрон — это устройство для получения ионов (заряженных атомов) высокой энергии путем повторяющихся ускорений, в каждом из которых ион проходит определенную разность потенциалов. Для того чтобы сообщать ионам ускоряющие импульсы многократно, прикладывается магнитное поле, чтобы ионы двигались по круговым орбитам. Вам требуется выяснить, как должны быть распределены во времени ускоряющие импульсы. Это кардинальная проблема устройства.]

Предположим, что ион с массой m кг и зарядом Q движется со скоростью v м/сек поперек однородного магнитного поля напряженностью Н а∙ виток/м. В магнитном поле на движущийся заряд действует сила, (Магнитное поле должно быть перпендикулярно направлению движения. Составляющая магнитного поля любой величины вдоль скорости заряда не вносит никакого вклада в эту силу.) При этом сила дается выражением F = -10QvH. (Когда магнитное поле — поле в центре кругового витка провода, оно равно H = 2π∙N∙I/R и его следует измерять в а∙виток/м. В нашей задаче магнитное поле создается железным сердечником с двумя катушками, так что именно оно обозначено через Н.)

(Замечание. В некоторых книгах вместо множителя 10 иногда стоит 1/с, а также иногда фигурирует 4π. Это различие связано с использованием других единиц измерения е вместо кулонов.)

Сила перпендикулярна как полю, так и направлению скорости иона, поэтому она, не меняя величины скорости иона, изгибает траекторию его движения в окружность,

а) Напишите уравнение, согласно которому приведенная выше сила (выраженная через Н) является центростремительной силой, заставляя ион двигаться по окружности радиусом r.

б) Решите уравнение, найденное в а) относительно скорости v, получив v =…

в) Какое время необходимо для обращения некоторого объекта по окружности радиусом r со скоростью v?

г) Объедините результаты пунктов б) и в) и выразите время обращения по окружности через Q, Н и т, д., исключив r из выражений.

д) Пусть электрический импульс ускоряет ион после каждой полуокружности его траектории. Как будет изменяться время между двумя последовательными импульсами, подаваемыми соответственно после прохождения ионом двух следующих друг за другом полуокружностей, — увеличиваться, уменьшаться или оставаться все время постоянным? Четко обоснуйте ваш ответ.

Задача 2. Циклотрон и относительность

В больших циклотронах ионы набирают громадную энергию за большое число оборотов по окружности, а так как энергия связана с массой, то масса иона слегка возрастает» Если ионы вращаются достаточно долгое время, то нужно ли на более поздней стадии ускорения уменьшить или увеличить длительность электрических импульсов?

Глава 42. Ускорители — большие машины

Физик… накапливает опытные данные, согласовывает и объединяет их вместе искусными экспериментами…, но самоуверенное утверждение, что это и есть природа, мы должны воспринимать… с доброжелательной улыбкой и некоторой долей сомнения.

Гёте, «Созерцание природы»

Мозг постоянно ищет новую информацию о периодичности и закономерностях происходящего вокруг нас. Этот процесс, который я называю сомнением, приводит к обнаружению существенно новых аналогий. Как только они найдены, мы, естественно, получаем основу для построения нашей системы законов. Затем считаем, что мир похож на наше построение, и продолжаем говорить о нем в наших терминах. Но рано или поздно появляется некто, сомневающийся, некто, пытающийся провести новые сравнения; если ему сопутствует успех, человечество научится лучше понимать мир, больше в нем видеть.

124