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.

    Молекулярная и статистическая физика

  1. Эвангелиста Торричелли с помощью экспериментов с изобретенным им ртутным барометром не только продемонстрировал наличие атмосферного давления, но и доказал, что столб ртути на определенной высоте удерживает именно давление воздуха, а не втягивающая сила со стороны пустоты, образующейся над этим столбом, как считали некоторые его предшественники. Он измерил атмосферное давление и обнаружил его вариации со временем, что предопределило череду исследований связи погодных явлений и атмосферного давления.

  2. Физик, математик и философ Блез Паскаль наглядно продемонстрировал гидростатический парадокс с помощью известного опыта, в котором вес пары кружек воды, налитых в длинную и тонкую вертикальную трубку, создавал на ее нижнем конце давление, способное разорвать закрытую дубовую бочку. Результатом этого и других опытов, проведенных Паскалем, явился основной закон гидростатики (закон Паскаля): давление, приложенное к жидкости или газу, передается во все его точки и действует одинаково по всем направлениям.

  3. Джон Уильям Рэлей выполнил достаточно простой опыт, до которого, тем не менее, до него никто не додумался: опустив каплю масла на поверхность воды, он стал наблюдать ее растекание во все более и более тонкую пленку, в конце концов дождавшись остановки процесса ее утончения. Это означало, что пленка теперь состоит из одного слоя молекул жира, и измерив площадь пленки, Рэлей оценил размеры этих молекул. Полученный результат дал оценку для молекулярных масштабов в иерархии строения вещества (в данном случае речь шла о макромолекулах органической природы, состоявших из сотен атомов).

  4. Эти исследования начались, естественно, с самого Роберта Брауна (R.Brown), который, будучи ботаником, обнаружил хаотическое дрожание мелких твердых частиц пыльцы, взвешенных в капле воды. Дальнейшие исследования Р.Брауна и других ученых привели к выводу о постоянстве броуновского движения и его независимости от внешних воздействий, сотрясающих жидкость, в которой взвешены броуновские частицы. Кроме того, физик и математик Мариан Смолуховский вывел формулу для среднеквадратичного смещения броуновской частицы за время t. Все эти открытия подготовили почву для будущего опыта Перрена и теории броуновского движения А. Эйнштейна.

  5. С помощью точного и красивого опыта с вращающимися цилиндрами Отто фон Штерн измерил и визуализировал распределение атомов газообразного серебра по скоростям. Вероятность для одной из компонент скорости атомов соответствовала толщине слоя серебряного напыления, возникавшего на металлической стенке одного из цилиндров, при этом значения скорости «отсчитывались» по азимуту вокруг оси цилиндра. Этот опыт подтвердил ключевое для статистической физики распределение Максвелла частиц газа по скоростям.

  6. В опыте Жана Батиста Перрена исследовалось распределение мелких частиц, взвешенных в жидкости, помещенной в гравитационное поле Земли. В отличие от газа, в этом случае была очевидна дискретность частиц и случайность их броуновского блуждания, --- тем не менее, средняя концентрация частиц, которая достигалась по прохождении времени релаксации, полностью соответствовала распределению Больцмана, т.е. экспоненциально убывала с высотой. На основе анализа этой закономерности и ее сравнения с барометрической формулой Перрен нашел основные параметры микроскопического масштаба молекулярно-кинетической теории: число Авогадро и массы некоторых молекул. Кроме этого, исследования Перрена подтвердили математическую теорию броуновского движения Эйнштейна–Смолуховского.

  7. Уравнение состояния идеального газа, называемое ныне уравнением Клапейрона–Менделеева, открывалось по частям. Отдельно исследовались изобарический, изотермический и изохорный режимы. Для данных исследований важное значение также имели развитие воздухоплавания, разработка ртутного барометра и газового термометра, способного измерять абсолютную температуру.

  8. Джеймс Джоуль провел серию опытов, в которых изучал взаимные превращения между различными видами энергии: механической, химической, электрической, тепловой. В частности, изучая, сколько тепла может дать использование потенциальной энергии груза заданной массы, поднятого над землей на 1 метр, он обнаружил, что это количество является универсальным, т.е. не зависит от рода тела и теплоприемника. По сути дела, Джоуль получил энергетический эквивалент тепловой единицы — калории.

  9. Спиновое эхо — это эффект самопроизвольной ориентации спинов частиц через существенное время после ее утери в силу эффектов беспорядочного взаимодействия между частицами. Восстановление начального, высоко упорядоченного состояния с малой энтропией производится с помощью короткого импульса магнитного поля, который в прямом смысле слова переворачивает все спины и в результате обращает их эволюцию во времени. Данный эффект является экспериментальной реализацией гипотетического обращения скоростей молекул газа. Такое обращение, согласно законам механики, должно привести к эволюции термодинамической системы против второго начала термодинамики — с уменьшением энтропии.