Kvant. Ломоносов
А так ли хорошо знаком вам Михаил Васильевич Ломоносов? // Квант. — 2011. — №5-6.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому... Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает.
...теплота состоит во внутреннем движении материи.
Ударив по ртутной пуле после того обухом, почувствовал я, что она имеет твердость, как свинец или олово.
Коль много микроскоп нам тайностей открыл
Невидимых частиц и тонких в теле жил!
Тотчас я, торжествуя, взял плоское зеркало и линзу диаметром в два дюйма и, так как день был как раз ясный, собрал линзой солнечные лучи, отраженные зеркалом. Когда, после этого, я подставил кусок дерева, на нем образовалось черное пятно и оттуда пошел дым.
Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает ...так что беспрерывное блистание быть кажется. В северном сиянии всполохи или лучи вид подобный имеют.
Натура тем паче всего удивительна, что в простоте своей многохитростна, и от малого числа причин произносит неисчислимые образы свойств, перемен и явлений.
Михаил Ломоносов
Мы впервые посвящаем весь выпуск рубрики «Калейдоскоп «Кванта» одному персонажу — но он более чем достойный претендент на такое внимание. И не только из-за того, что наступил его славный трехсотлетний юбилей, но и потому, что более подходящего кандидата на роль героя «Калейдоскопа», пожалуй, не сыскать. Отражение многогранного таланта нашего великого соотечественника в его изречениях, в любопытных и поучительных эпизодах его судьбы, в будто бы простых, но не потерявших актуальности занимавших его вопросах вы найдете сегодня в россыпи фрагментов, из которых мы попытались сложить своеобразную мозаику (одно из увлечений Ломоносова!).
Многократно появляясь в «Калейдоскопе», Михаил Васильевич близок ему еще и тем, что придавал большое значение качественному подходу к изучаемым явлениям, а именно такие задачи мы и коллекционируем.
Итак, последуем же за тем, кто, как назвал его Пушкин, «сам был первым нашим университетом».
Вопросы и задачи
1. В записях Ломоносова имеется такая заметка: если «на не очень большом расстоянии различие силы тяжести было бы велико, то можно было бы построить неверные весы». Как вы думаете, о каких весах здесь идет речь?
2. Хотя Ломоносов с помощью сконструированного им маятника на практике и исследовал земное притяжение, однако в теории дальнодействующее («без посредников») тяготение считал несовместимым с законом сохранения материи и движения. Что же мешало ему обнаружить «действие на расстоянии»? Например, как объяснить, почему находящиеся в комнате предметы не приближаются друг к другу?
3. Еще в юности, рыбача с отцом, Ломоносов замечал, что при попытке сойти на берег с причалившей к нему носом, но не закрепленной лодки рыбаки заставляли ее двигаться назад. Отчего?
4. Формулируя открытый им закон сохранения материи и движения, Ломоносов проверял его с помощью «подручных средств» — например, сталкивал скользящие по паркету стулья. Как вы считаете, когда покоящееся тело приобретет большую скорость от такого же движущегося тела: при упругом или неупругом центральном ударе?
5. Во времена Ломоносова уже пользовались как ртутным, так и спиртовым термометром. Какой из них более чувствительный при прочих равных условиях?
6. В термометрической шкале Делиля температура кипения воды соответствовала нулю, а температура таяния льда — 150 градусам. Какие «здравомыслящие» изменения внес в эту шкалу Ломоносов, если и в его шкале сохранилась та же «цена деления»?
7. Ломоносов самостоятельно изобретал и строил метеорологические приборы для наблюдения за различными параметрами атмосферы, прежде всего за давлением и температурой. А как, по-вашему, изменится разность показаний сухого и влажного термометров при понижении температуры воздуха, если абсолютная влажность останется без изменений?
8. Объясните такой опыт, проведенный Ломоносовым: «Через листовой свинец, сложенный и согнутый в виде сифона и погруженный одним концом в ртуть, ртуть удаляется из сосуда в течение 24 часов».
9. Почему Ломоносов жаловался на растекание чернил при письме на бумаге плохого качества?
10. После опытов Франклина, Рихмана и Ломоносова, который «чинил электрические воздушные наблюдения с немалой опасностью», молниеотводы, устанавливаемые на зданиях, стали заземлять. А вот почему на верхнем их конце закрепляют острие, а не закругленный проводник?
11. Ломоносов доказывал, что телескоп не только увеличивает видимые размеры далеких предметов, но также усиливает и количество света, воспринимаемого глазом, что действительно оказалось верным для точечных источников света. Как это можно объяснить?
12. Решая задачу об увеличении зажигательной силы линз, Ломоносов сконструировал прибор, показанный на рисунке и названный им катоптрико-диоптрическим инструментом. Здесь A1, A2, A3, A5 — плоские зеркала, B1, B2, B3, B4, B5 — собирающие линзы, четыре из которых составляют с направлением первичного пучка углы в 45°. Под какими углами к этому пучку надо располагать зеркала?
13. При переходе света из воздуха в любое твердое или жидкое прозрачное вещество окраска света остается прежней. Как это можно было объяснить во времена Ломоносова?
14. Когда серп Венеры очень тонок, его рога охватывают больше половины диска, а в некоторых случаях вокруг всего диска наблюдается тонкое светящееся кольцо. Какое из астрономических открытий Ломоносова поможет в понимании этого явления?
Микроопыт
Основой, питающей деятельность человеческого разума, Ломоносов считал наблюдение и опыт. Например, проводя метеорологические исследования, он обратил внимание, что ночью при густой облачности не бывает росы. Как вы можете это объяснить?
Любопытно, что
...Ломоносов убеждено отстаивал представления об атомах («элементах») и молекулах («корпускулах»). Учение о прерывистом (зернистом) строении материи было для него ключом для объяснения многообразных явлений — теплопередачи, упругих свойств воздуха, агрегатных состояний тел и т.д.
…борясь с представлением о теплороде, как специфической жидкости, якобы переливаемой в нагреваемые тела, Ломоносов фактически ввел понятие абсолютного нуля температур — «наибольшей и последней степени холода», когда полностью прекращается движение составляющих материю частиц.
…исключительно высокая экспериментальная техника Ломоносова подтверждается точностью, с которой он калибровал свои приборы, например ртутные термометры. С их помощью он сумел определить коэффициент расширения газов при нагревании, сделав ошибку меньше 3%, что было в десять раз точнее принятого в ту пору значения.
…в 1760 году Ломоносов дал первое изображение плотнейшей кубической шаровой упаковки и объяснил форму кристаллических многогранников, заложив, тем самым, основы физической кристаллографии.
…большая часть конкретных химических исследований Ломоносова была связана с технологией получения и окраски мозаичных стекол, из которых сам ученый выкладывал картины. За одну из них — «Полтавский бой», признанную шедевром мозаичного искусства, Ломоносов был избран Болонской академией наук своим почетным членом.
…покровитель Ломоносова граф И.И.Шувалов не слишком разбирался в естественных науках и вряд ли их ценил. Он считал, что призвание Ломоносова — быть историком и поэтом. Так, за одну из своих хвалебных од Ломоносову досталось от царицы 2000 рублей, что было больше, чем его трехлетнее жалование в Академии наук.
…Ломоносов был одним из первых исследователей полярных сияний, полагая, что это явление сродни свечению газового разряда. Также он указывал на то, что молния это не что иное как гигантская искра, ничем, ι кроме размеров, не отличающаяся от искры между шарами электрической машины.
…«ничто так не поучительно, как заблуждение гения». А Ломоносов не раз крупно заблуждался. Помимо того что он был противником ньютоновской концепции дальнодействия гравитационных сил, он капитально ошибался в вопросах о характере внутреннего движения молекул, о пропорциональности веса и массы, о возможности замерзания морской воды и о природе свечения кометных хвостов.
…Ломоносову принадлежит ряд верных соображений о противоречиях между корпускулярной теорией света и опытом; как активный сторонник волновой теории, он был близок к мысли о поперечности световых волн и пришел к правильному выводу о связи между поглощательной и испускательной способностями тела.
…Ломоносовым был модифицирован телескоп Ньютона, а также сконструирована «ночезрительная труба», предназначенная для рассматривания предметов в условиях слабой освещенности — ночью или в сумерках. Эта труба, названная ученым «машиной для сгущения света», предвосхищала появление светосильной оптики, позволяла увеличить угол зрения до пределов, при которых глаз может еще различить две точки объекта как раздельные.
…наблюдения за прохождением Венеры по диску Солнца в 1761 году стали фактически первым международным научным проектом — в них участвовали более ста астрономов из разных стран. Ломоносову удалось не только заметить тонкие оптические эффекты, но и правильно объяснить их причину, заключавшуюся в наличии атмосферы, окружающей эту планету.
Что читать в «Кванте» о М.В.Ломоносове
(публикации последних лет)
1. Калейдоскоп «Кванта» - 2004, №3, с. 32; 2007, №1, с. 32; 2008, №1, с. 32; 2010, №5, с. 32;
2. «Московский университет» - 2005, №3, с. 15;
3. «Метеорологические наблюдения: распределенные в пространстве и во времени» — 2010, №3, с. 2;
4. «Человек-университет» — 2011, №5—6, с. 2.
Ответы
1. Ломоносов имел в виду равноплечные рычажные весы с разными длинами подвесов. Так, при взвешивании у поверхности Земли грузов массой по одному килограмму разность показаний на высоте примерно три метра давала бы ошибку в один миллиграмм.
2. Этому препятствует не отсутствие тяготения между телами, а наличие сил трения, во много раз превосходящих силы притяжения.
3. Ломоносов объяснил это своим законом сохранения движения; сегодня же мы опираемся на закон сохранения импульса, из которого следует, что приближение человека к берегу вызывает удаление от берега лодки.
4. При упругом ударе покоящееся тело приобретет в два раза большую скорость, чем при неупругом.
5. Спиртовой, так как коэффициент объемного расширения спирта больше, чем у ртути.
6. По соображениям удобства за 0 градусов Ломоносов принял точку замерзания воды, а за 150 градусов — точку ее кипения.
7. Уменьшится, так как относительная влажность будет больше, а испарение воды станет менее интенсивным.
8. Плотно сложенные листы свинца образуют тонкие капиллярные каналы и щели, по которым ртуть, хорошо смачивающая чистый свинец, за счет сил поверхностного натяжения поднимается - подобно воде в капиллярных стеклянных трубках.
9. Растекание чернил происходит из-за наличия капилляров между образующими рыхлую бумагу волокнами - чернила втягиваются в них, и линии, проведенные пером по бумаге, получаются размытыми.
10. При наличии острых концов у проводников на них образуется настолько большая плотность зарядов, что окружающий воздух ионизируется и становится проводящим - заряды «стекают» с острия.
11. Световой поток по выходе из окуляра телескопа гораздо уже широкого потока, поступающего в объектив, т.е. происходит концентрация световой энергии на меньшей площади.
12. Перпендикуляры к зеркалам А1 и A2 должны составлять с падающими лучами углы 22°30', а перпендикуляры к зеркалам А3 и А5 — углы 67°30'.
13. Коллега Ломоносова Леонард Эйлер, разделявший с ним представления о свете как о волновом процессе, считал, что световое ощущение зависит от частоты, а не от длины световой волны. Частота же при переходе света из одной среды в другую не меняется.
14. Это явление возникает в результате преломления солнечных лучей в протяженной и плотной атмосфере Венеры, открытой Ломоносовым.
Микроопыт
Роса образуется при охлаждении земной поверхности посредством излучения. Облака же препятствуют потере землей тепла таким способом.
Материал подготовил А.Леонович
