Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

100 фундаментальных экспериментов,
на которые опирается современная физика:
от Галилея до наших дней.

Список экспериментов (по областям физики).

Щелкая на названиях экспериментов левой клавишей мыши, вы попадете в раздел, посвященный конкретному эксперименту. Для того, чтобы посмотреть краткое описание эксперимента, не переходя к посвященной ему страничке, щелкните на надписи «Краткое описание...» справа от его названия.

    Электродинамика

  1. Вильям Гильберт и Бенджамин Франклин были первыми, кто исследовал образование и истечение зарядов на диэлектриках. В частности, первый из них показал, что свойством электризоваться при трении обладает не только янтарь, как считали греки, но и многие другие вещества, в частности, минералы. Франклин развил исследования Гильберта, обнаружив существование двух знаков заряда и предположив, что знак заряда зависит от того, больше или меньше электрического флюида (дословно, жидкости) находится в теле, по сравнению с равновесным, нейтральным состоянием.

  2. Шарль Кулон поставил первый в истории прецезионный эксперимент по измерению силы притяжения между двумя заряженными шарами. В нем применялась техника точных и чувствительных крутильных весов, усиленная многочисленными решениями по минимизации влияния сторонних факторов на измеряемую силу. Результатом эксперимента явился основной закон взаимодействия зарядов в электростатике — закон Кулона — гласящий, что сила взаимодействия точечных зарядов пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

  3. Луиджи Гальвани первым обнаружил, что живые ткани (в частности, мышечная ткань) могут как генерировать, так и откликаться на электричество. Он также был первым, кто открыл контактную разность потенциалов на границе двух различных металлов, хотя и неправильно интерпретировал ее происхождение в своих опытах. Алессандро Вольта пересмотрел точку зрения Гальвани, всячески исследовал его гальванические элементы (две пластинки из разных металлов, между которыми проложен смоченный в электролите лоскут) и сформулировал концепцию электрического напряжения. В частности, он создал прибор для измерения напряжения и изучил основные его свойства. Также Вольта изобрел первый источник высокого напряжения — вольтов столб.

  4. С помощью эксперимента, использующего крутильные весы, Георг Ом пришел к своему закону, выражающему силу тока в проводнике через его сопротивление, а также ЭДС и внутреннее сопротивления источника питания. Кроме того, он показал независимость силы тока от других параметров. Полученные Омом результаты неявно говорили в пользу дрейфового характера движения зарядов в металлах.

  5. Закон Джоуля–Ленца — один из законов, на которых базируется закон сохранения и превращения энергии: в данном случае электрическая энергия преобразуется в эквивалентную ей тепловую. Открытие подобных превращений и универсальной сохраняющейся величины — энергии — потеснило общепринятую теорию теплорода. Наконец, закон Джоуля–Ленца, как и закон Ома, говорил в пользу дрейфового характера движения носителей заряда, переносящих ток.

  6. Исследования электролиза Фарадеем перебросили мост между химией и физикой. Он показал, что электричество имеет прямое отношение к химической связи, более того, что ее образование и разрыв сопровождается переносом электрического заряда в строго определенных количествах. Каждому атому вещества необходимо для этого определенное количество заряда, пропорциональное некоторому элементарному. Опыты Фарадея и сформулированные на их основе законы далеко продвинули представления о строении вещества и поставили задачу о нахождении частиц (электронов), ответственных за химическую связь.

  7. Джозеф Джон Томсон разгадал загадку известных и до него катодных лучей: их траектория изгибалась в магнитном поле, но не изгибалась в электрическом. Создав катодную трубку с высоким вакуумом, напоминающую современный кинескоп, и построив математическую модель движения заряженных частиц в ней, он доказал, что катодные лучи состоят из отрицательно-заряженных частиц. Для этих частиц он измерил удельный заряд e/m, и оказалось, что последний почти в 2000 раз меньше удельного заряда иона водорода H+. Фактически, в эксперименте была открыта первая субатомная частица — электрон.

  8. Дискретность электрического заряда, которую можно было только предположить на основании опытов Фарадея по электролизу, была непосредственно доказана в экспериментах Милликена и Иоффе. В этих опытах наблюдалось движение практически нейтральных частиц во внешнем электрическом поле. Результатом явилось обнаружение дискретности заряда частиц и измерение элементарного заряда. Этот заряд со знаком минус был приписан электрону, поскольку именно обмен электронами приводил к изменению зарядов наблюдаемых в опытах частиц.

  9. Карл Рикке с помощью простого опыта показал, что ток в металлах абсолютно не затрагивает их кристаллическую решетку. Было показано, что протекание тока из одного металлического проводника в другой, сделанный из другого металла, никак не приводит к смешиванию металлов. Эксперимент Рикке, несмотря на свою простоту, является чрезвычайно весомым аргументом в пользу электронной теории тока в металлах.

  10. Попросту говоря, Толмен и Стюарт доказали, что частица, которая переносит ток в металлах, совпадает с электроном, полученным Дж.Дж. Томсоном из катодных лучей. Они использовали инерционную генерацию тока: если движущийся металлический проводник подвергнуть резкому торможению, то электронный газ внутри него под действием силы инерции на малое время сместится к «носу» от «кормы» проводника. Это приводит к образованию инерционной ЭДС на его концах, которую и измерили Толмен и Стюарт. Сравнив ускорение проводника и полученную в опыте ЭДС, они вычислили удельный заряд частиц, участвующих в токе, который замечательно совпал с удельным зарядом электрона Томсона.

  11. Эрстед был первым, кто наблюдал магнитное действие тока — можно сказать, первопроходцем электромагнетизма. Пусть качественно, но он исследовал поворот магнитной стрелки, установленной вблизи провода с электрическим током, тем самым показав, что электрические и магнитные явления таинственным образом связаны.

  12. Ампер продолжил исследования Эрстеда, подойдя к задаче количественно. Во-первых, он обнаружил, что взаимодействуют не только ток с магнитом, но и два проводника с током. Во-вторых, с помощью точнейших весов Ампер изучил зависимость силы взаимодействия между проводниками с током от расстояния и силы тока, а удостоверился в ее независимости от вещества проводников. В результате был получен закон Ампера, дающий силу взаимодействия двух проводников с током. Фактически, Ампер обнаружил первый релятивистский эффект — магнитное взаимодействие движущихся зарядов — наблюдаемый только потому, что в проводнике их число чрезвычайно велико. Также на основе своего закона Ампер пришел к важнейшей гипотезе молекулярных токов.

  13. Открытие явления электромагнитной индукции как бы продолжило исследования Ампера: теперь было обнаружено, что и магнитное поле может быть источником электрических явлений. Изменение магнитного поля или его направления относительно проводника приводило к образованию ЭДС в последнем, что и наблюдали в своих опытах Фарадей и Генри. Чрезвычайно важным для данных открытий является также изобретение катушки индуктивности Генри. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, что укрепило его полевые представления в отношении электричества и магнетизма. Этот закон в несколько обобщенном виде был включен Максвеллом в уравнения электромагнитного поля.

  14. Уравнения Максвелла были теоретической конструкцией, обобщавшей законы Гаусса, Ампера и Фарадея для электромагнитного поля. Из этих уравнений напрямую следовала возможность существования электромагнитных волн в пустоте и в диэлектриках, поэтому обнаружение, а главное, генерация этих волн, представляли собой важную экспериментальную задачу. Эту задачу успешно решил Генрих Герц, сначала построив математическую теорию излучения колеблющегося диполя, а затем изготовив вибратор, излучающий волны определенной частоты. Герц доказал, что для излучаемых волн характерны интерференция, поляризация, преломление и отражение, а также измерил их скорость и длины волн. Полученная скорость совпала со скоростью света, что вместе с обнаруженными Герцем другими свойствами волн, характерными для света, делало практически неоспоримой гипотезу о его электромагнитной природе.