«Я на самом деле считаю, что американские джентльмены - лучшие из всех, потому что когда тебе целуют руку, ты можешь почувствовать что-то очень-очень хорошее, но в отличие от поцелуев бриллианты и сапфировые браслеты вечны».
Анита Лус, «Джентльмены предпочитают блондинок»,1925
Что делает камень драгоценным? Специалисты выделяют целый ряд критериев, внешних и внутренних признаков, в их числе красота, редкость (единичность), износостойкость (прочность, твердость) . В мире моды говорят, что талантливая модель не должна быть идеально красивой, ее красота как раз в «уродстве» - необычности и непохожести на других. Точно также дело обстоит и с драгоценными камнями: в природе редко можно встретить бездефектные и безупречной чистоты драгоценные камни, поэтому, если попадаются такие образцы, они достигают очень высокой стоимости на рынке . Синтетические камни, в свою очередь, обладают лучшими качественными характеристиками, однако стоят в ряды дешевле.
Внутренние особенности камней (включения, зональность или распределение окраски, микроструктуры роста) также помогают установить, натуральный камень или искусственно выращенный. Для более обстоятельного наблюдения рекомендуется использовать лупу или микроскоп.
Приведу несколько наиболее часто встречающихся в ювелирной промышленности драгоценных камней и некоторые способы их идентификации (бриллиант, рубин, сапфир, аквамарин, изумруд, гранат) .
Бриллиант (алмаз)
П
редположительно натуральный, если
:
В нем имеются видимые включения минералов;
Практически весь свет, попадающий на поверхность камня, отражается, как от тысяч зеркал, от его нижних граней. Следовательно, если посмотреть на свет через бриллиант можно увидеть только светящуюся точку, а если надеть кольцо с бриллиантом, то камень не будет просвечивать (увидеть палец через бриллиант невозможно);
Соляной кислотой его не напугать;
В силу своих физических свойств оставляет царапины на полированных поверхностях других камней и на стекле, которые не исчезают, даже если протереть их влажной салфеткой. Поэтому для тестов выбирайте поверхности, которых не жалко;
В йодистом метилене или однобромистом монофтлене (растворы с показателем преломления близким к шпинели и сапфиру) камень не исчезает, а ярко блестит. Соответственно, заменители бриллианта в виде шпинели и сапфира не будут видны в растворе. Подобный (чуть менее отчетливый) результат имеет погружение камней в водный раствор глицерина;
Использовать старинный метод контрабандистов. Бриллиант опускают в воду, если он природный, его не будет видно в чистой воде;
Камень синтетический, если:
В нем имеются включения металлов (железа, никеля, марганца);
Характерно неравномерное зонально-секториальное распределение флюоресценции (свечение вещества, возникающее в результате его освещения и быстро затухающее после прекращения ) в ультрафиолетовом свете. Нередко наблюдаются крестообразные фигуры УФ-флюоресценции. Для приведенного способа проверки нужен специальный прибор.
В качестве имитации бриллианта используют стразы, хрустальное стекло, пластик, бесцветный циркон, титанит стронция; синтетические рутик, бесцветную шпинель, бесцветный сапфир, проч. Некоторые подделки легко отличить на глаз:
Они не обладают такой яркостью и свечением, как натуральный и даже синтетический алмаз;
Стареют от времени (стираются грани, блеск становится тусклям).
Для сложных случаев определения происхождения алмазов используются следующие методы: цветная и спектральная катодолюминесценция, спектроскопия в видимой и инфракрасной области, люминесцентная спектроскопия, пр.
.jpg)
Корунд (рубин, сапфир)
Рубин скорее природного происхождения, если :
Он не очень крупный. В природе редко встречаются рубины большого размера;
Имеются внутренние дефекты;
Если и присутствуют во внутренней структуре камня пузырьки, то зачастую они такого же цвета, что и камень;
При увеличении просматриваются иглообразные включения;
Камень обладает высокой прочностью (второй после алмаза), оставляет царапины на поверхностях с более низким показателем прочности;
Отсутствует спайность, его практически невозможно разбить;
При ярком свете цвет рубина становится темнее;
На нем могут быть трещины зигзагообразной формы, без сияния.
Имеет соответствующий сертификат и неприлично дорогой.
Рубин синтетический, если:
Имеет ярко выраженную идеальную форму;
Наблюдается криволинейная зональность;
Встречаются включения газовых пузырьков;
Характерна очень сильная красная УФ-флюоресценция, если на камень направить УФ свет, синтетический рубин станет оранжевого цвета;
При подробном рассмотрении с лупой или микроскопом в камнях, выращенных гидротермальным или флюсовым методом, имеются вкрапления тигля (платины, золота, меди) или флюса;
Имеются неправильные микроструктуры роста (при гидротермальном синтезе);
На нем имеется трещина правильной (прямой) формы, с сиянием.
Сапфир
Предположительно натуральный, если:
Представлен в разных цветах и оттенках (бесцветный, черный, желтый, оранжевый, фиолетовый и т.д., самый ценный – синий), на камне прослеживается эффект молочного тумана – белые блики (у кашмирского сапфира особенно);
Кашмирский сапфир не меняет цвет при искусственном освещении, считается эталонным сапфиром;
Свойственна зональная окраска;
Имеются включения из рутила (иглообразные волокна, при пересечении образующие угол 60 градусов), которые видны под увеличительным стеклом;
Имеются включения из циркона (особенность камней цейлонского происхождения);
При свете электрической лампы камень приобретает пурпурный оттенок. Это говорит о наличии в составе хрома и опять таки указывает на цейлонское происхождение;
При искусственном свете могут показаться черными (австралийские сапфиры);
Имеется сероватый металлический блеск (это говорит об американском происхождении камня);
Присутствуют внутренние дефекты;
-
камень обладает высокой прочностью, оставляет царапины на поверхностях с более
низким показателем прочности;
Имеет сертификат качества и очень дорого стоит.
Облагораживание корунда выдают «огненные знаки» от термообработки, контрастная зональная окраска и прочие указатели.
Танзанит (видимый красноватый оттенок), шпинель, аквамарин (видимый зеленоватый оттенок), индиголит могут показаться сапфирозаменителями, но их легко идентифицировать при помощи рефрактометра (устройство для измерения преломления света), а также в некоторых случаях на глаз.
Сапфир синтетический, если:
На вид более красивые, чем природные, отсутствуют природные включения, примеси, пузырьки газа, искривленные линии окраски;
Под ультрафиолетовыми лучами камень приобретает зеленый оттенок (говорит о наличии титана);
Имеются примеси золота, меди, платины.
Имитации сапфира изготавливают из пластика, страз (стекла), проч. Если с перечисленными материалами все понятно – их происхождение обычно определяется на глаз, то композитивные камни могут доставлять трудности. Композитивный камень (дублет, триплет) состоит из нескольких частей. В верхней зачастую размещают натуральный камень, к которому приклеивают схожую по цвету имитацию. В закрытой оправе достаточно сложно идентифицировать подделку, даже с применением рефрактометра, а вот если рассмотреть камешек в профиль, под увеличением и при ярком освещении, то спайку композитивного камня можно четко выявить. Кроме того, обычно натуральная вставка и имитация отличаются по цвету.
Берилл (аквамарин, изумруд)
Аквамарин природного происхождения, если при прикосновении к нему кончиком языка ощущается холод. Все имитации данного камня на ощупь кажутся более теплыми. Синтетический аквамарин пока не выращивают, все подделки под аквамарин - это или шпинель, или стекло.
Изумруд скорее натуральный, если:
- он прозрачен и имеет равномерно распределенный насыщенный цвет от желто-зеленого до сине-зеленого;
- почти всегда на камне есть расколы и трещины;
- к нему прилагается соответствующий документ и установлена высокая цена.
.jpg)
Камень синтетический, если:
- имеет насыщенный голубовато-зеленый цвет;
- при увеличении наблюдаются перекрученные вуали;
- имеются включения (трубчатые, коричневатые – оксиды Fe);
Красота драгоценных камней пленяет. Особенно ценятся экземпляры, обладающие наиболее чистым и ярким цветом. В частности, изумруд должен быть зеленым, сапфир - пронзительно-синим, а рубин - насыщенно-красным. Но цвет драгоценностей обусловлен чаще всего не их собственной кристаллической решеткой, а наличием примесей. Они могут придать сапфиру зеленый цвет, а изумруду - синеватый или желтоватый.
Химическая формула сапфира очень проста: Al2O3 (оксид алюминия). Данный минерал используется в электронной промышленности благодаря особым полупроводниковым свойствам. В чистом виде он бесцветный и полупрозрачный и носит название "лейкосапфир", так как с греческого слово "leukos" переводится как "белый". Его выращивают искусственно в промышленных целях, поскольку в природе эти кристаллы почти всегда имеют примеси. Их содержание в драгоценных камнях измеряется в массовых процентах, отражающих соотношение примеси к массе "чистого" камня.
Синий цвет придают железо и титан, а ванадий вносит фиолетовый оттенок. Больше всего ценятся и довольно редко встречаются камни ярко-синего, василькового цвета. Их месторождения расположены в основном на Шри-Ланке. Большое количество железа придает сапфиру зеленоватый цвет. Корунды, содержащие много оксида железа, становятся желтоватыми.
Удивительно, но кристаллическое строение рубинов такое же, как и у сапфиров! То есть это два разных названия для одного и того же камня. Различаются они лишь цветом. Принято считать рубинами только красные камни с пурпурным оттенком (его обеспечивает примесь хрома), но в ювелирных магазинах нередко можно встретить бирку с подписью "рубин", прикрепленный к изделию с розовым камнем. На самом деле правильно было бы писать "розовый сапфир", но не все ювелирные магазины так поступают. Серьезные компании используют цветовые координаты, с помощью которых можно описывать цвет камней. Именно координаты указывают на то, что называется сапфиром, а что рубином. В некоторых системах оценки цвета существуют свои эталоны.
Изумруд - зеленая разновидность берилла, содержащая хром. Сам берилл, так же, как и лейкосапфир, бесцветный. Но примесные элементы могут окрашивать его в различные цвета. Так, железо может окрашивать берилл в голубой или желтый, ванадий - в зеленый, марганец - в розовый. В изумруде содержание двуокиси хрома может доходить до 2-2,5%. Наличие других примесей в изумруде (железо, ванадий) может немного менять оттенок камня, а также указывать на его месторождение. Например, для уральских изумрудов характерно высокое содержание железа, а для колумбийских - примесь ванадия.
Царем драгоценных камней считается алмаз. Это не только ценнейший и красивейший драгоценный камень, но и сверхтвердый технический минерал, химически стойкий к агрессивным средам, это эталонный полупроводник для электроники, модельный объект для физики твердого тела, а также индикатор высоких давлений и температур в науках о Земле.
"Окраска алмаза чаще всего связана с примесями и дефектами структуры, возникающими в результате вхождения примесей. Самой главной примесью в алмазе является азот, придающий алмазу желтый оттенок. Этот элемент может входить в структуру драгоценного камня в виде одиночных атомов или их группировок. Алмазы, содержащие азот в форме группировок, составляют около 98% от всего алмазного сырья. Количество азота в таких камнях может доходить до 0,3% от атомов углерода, а в среднем оно составляет сотые доли атомных процентов. А вот в виде одиночных атомов в алмазах азот встречается редко. Зато такая форма азота придает камню яркий желтый, так называемый "фантазийный" цвет. Объемные дефекты в виде плоскостей вызывают коричневую окраску, а в ряде случаев - редкую розовую. Крайне дорогие и редкие голубые алмазы получаются благодаря примеси бора, " - поясняет Ирина Екименкова, научный сотрудник кафедры минералогии геологического факультета МГУ .
Алмазы, не содержащие примесей, раньше называли камнями "чистой воды". Считалось, что если положить алмаз в воду, то он будет незаметен. На самом деле показатели преломления света у воды и этого прекрасного минерала отличаются колоссально, и алмаз будет прекрасно виден.
История многих драгоценностей с алмазами, изумрудами и корундами насчитывает века. Менялись эпохи, общество, мировоззрение, но эти камни неизменно притягивали людей своей древней и загадочной красотой.
Итак, примерно с сороковых годов XVI столетия до сороковых годов XVII столетия (от Коперника до Галилея) происходил сложный революционный процесс замены средневекового мировоззрения и науки новым мировоззрением и новой, базирующейся на опыте и практике наукой. Была проделана большая работа по обоснованию и укреплению гелиоцентрической системы мира (Коперник, Бруно, Кеплер, Галилей), по критике перипатетической методологии и науки, по выработке методологических основ новой науки (Бэкон, Галилей, Декарт). Успех этого большого, необычайно важного для развития всей человеческой культуры и общественного сознания дела определился в значительной мере достигнутыми конкретными научными и практическими результатами Новая наука и новое мировоззрение доказывали свою правоту и силу делом, а не бесплодными словопрениями XVII век был веком победы научной революции.
Успехи экспериментального и математического метода обозначились прежде всего в механике Уже Леонардо да Винчи по-новому подошел к статическим и динамическим задачам механики. XVI век был веком освоения античного наследства. Коммандино (1509-1575) перевел труды Евклида, Архимеда, Герона, Паппа Александрийского. Ученик Комман-дино, покровитель и друг Галилея, Гвидо Убальдо дель Монте (1545-1607) издал в 1577 г. сочинение по статике, в котором изложил работы древних авторов и развил их, решая задачу равновесия косого рычага, не зная, что эта задача была уже решена Леонардо. Гвидо Убальдо ввел в науку термин «момент». Этот термин вообще широко использовался в XVI и начале XVII в., в частности Галилеем, однако у Убальдо он наиболее подходит к современному понятию «статический момент силы». Гвидо Убальдо показывает, что для равновесия рычага важны значения сил и длины перпендикуляров, опущенных из точки опоры на линии действия сил (грузов) Совокупность обоих факторов, обусловливающих действие силы в рычаге, он называет моментом и формулирует условие равновесия рычага в виде равенства моментов
Новый подход к статическим проблемам мы находим в классическом труде «Начала статики» голландского инженера и математика Симона Стевина (1548-1620), которому математика обязана введением десятичных дробей. Математический подход у Сте-вина сочетается с опытом и технической практикой. На титульном листе трактата Стевина нарисована наклонная плоскость, обвитая цепью, составленной из соединенных вместе шаров. Надпись над рисунком гласит: «Чудо и не чудо». Наклонная плоскость на рисунке изображена в виде прямоугольного треугольника с горизонтальной гипотенузой. Часть цепи, обвивающая гипотенузу, имеет большую длину и содержит большее число шаров, чем те ее участки, которые прилегают к катетам. Большая часть имеет больший вес, поэтому, казалось бы, что вес цепи, прилежащей к большему катету, перетянет, и цепь придет в движение. Но так как картина распределения шаров при этом не меняется, то движение должно продолжаться вечно. Вечное движение Стевин считает невозможным, поэтому он полагает, что действие веса шаров на обоих катетах одинаково (нижняя часть роли не играет, она совершенно симметрична). Отсюда он заключает, что сила, скатывающая груз по наклонной плоскости, во столько же раз меньше веса груза, во сколько раз высота плоскости меньше ее длины. Так была решена задача, перед которой остановились Архимед, арабские и европейские механики.
Но Стевин пошел еще дальше. Он понял векторный характер силы и впервые нашел правило геометрического сложения сил. Рассматривая равновесие цепи на треугольнике, Стевин заключил, что если три силы параллельны сторонам треугольника и их модули пропорциональны длинам этих сторон, то они уравновешиваются. В сочинении Стевина содержится также принцип возможных перемещений в применении к полиспасту: во сколько раз полиспаст дает выигрыш в силе, во столько же раз проигрывает в пути, меньший груз проходит больший путь.
Особенно важна часть трактата Стевина, посвященная гидростатике. Для изучения условий равновесия тяжёлой жидкости Стевин пользуется принципом отвердевания - равновесие не нарушится, если части уравновешенного тела получат дополнительные связи, отвердеют. Поэтому, выделив мысленно в массе тяжелой жидкости, находящейся в равновесии, произвольный объем, мы не нарушим этого равновесия, считая жидкость в этом объеме отвердевшей. Тогда она представит собой тело, вес которого равен весу воды в объеме этого тела. Поскольку тело находится в равновесии, на него со стороны окружающей жидкости действует сила, направленная вверх, равная его весу.
Так как окружающая тело жидкость остается неизменной, если это тело заменить любым другим телом той же формы и объема, то она всегда действует на тело с силой, равной весу жидкости в объеме тела.
Это изящное доказательство закона Архимеда вошло в учебники.
Стевин доказывает далее путем логических рассуждений и подтверждает экспериментом, что весовое давление жидкости на дно сосуда определяется площадью дна и высотой уровня жидкости и не зависит от формы сосуда. Значительно позже этот гидростатический парадокс был открыт Паскалем, не знавшим сочинения Стевина, написанного на мало распространенном голландском языке
Как практик-кораблестроитель, Стевин рассматривает условия плавания тел, подсчитывает давление жидкости на боковые стенки, решая вопросы, важные для кораблестроения.
Таким образом, Стевин не только восстановил результаты Архимеда, но и развил их. С него начинается новый этап в истории статики и гидростатики.
Почти одновременно со Стевином и независимо от него вопросы статики и гидростатики решал Галилей. Он также нашел закон равновесия тел на наклонной плоскости, которую вообще изучил очень подробно. Наклонная плоскость сыграла важную роль в механических исследованиях Галилея. К этому мы еще вернемся при обсуждении динамики Галилея.
Галилей восстановил в более простой и измененной форме архимедовское доказательство закона рычага. Он обосновал его заново, опираясь по существу на принцип возможных перемещений (с помощью этого не сформулированного им еще в явной форме принципа Галилей обосновал и закон наклонной плоскости).
Обсуждению закона Архимеда и условий плавания тел посвящено вышедшее в 1612 г. сочинение Галилея «Рассуждения о телах, пребывающих в воде». И это сочинение Галилея нераздельно связано с его борьбой за новое мировоззрение и новую физику. Он писал: «Я решил написать настоящее рассуждение, в котором надеюсь показать, что я часто расхожусь с Аристотелем во взглядах не по прихоти и не потому, что я не читал его или не понял, но в силу убедительных доказательств». В этом сочинении он пишет и о своих новых исследованиях спутников Юпитера, и об открытых им солнечных пятнах, наблюдая которые он вывел, что Солнце медленно вращается вокруг своей оси.
Переходя к основной теме сочинения, Галилей полемизирует с перипатетиками, считающими, что плавание тел определяется прежде всего формой тела. Оригинален подход Галилея к обоснованию закона Архимеда и теории плавания тел. Он рассматривает поведение тела в жидкости в ограниченном объеме и ставит вопрос о весе жидкости способной удержать тело заданного веса.(Вопрос Галилея обсуждался на страницах советских научно-популярных журналов Ему посвящались страницы фундаментальных монографий по гидростатике и механике )
Главная заслуга Галилея в обосновании динамики. К тому, что уже было сказано по этому вопросу, нам остается добавить немногое, но это немногое имеет существенное значение. Галилею принадлежит фундаментальное открытие независимости ускорения свободного падения от массы тела, которое он нашел, опровергая мнение Аристотеля, что скорость падения тел пропорциональна их массе. Галилей показал, что эта скорость одинакова для всех тел, если отвлечься от сопротивления воздуха, и пропорциональна времени падения, пройденный же в свободном падении путь пропорционален квадрату времени.
Открыв законы равноускоренного движения, Галилей одновременно открыл закон независимости действия силы. В самом деле, если сила тяжести, действуя на покоящееся тело, сообщает ему за первую секунду определенную скорость, т. е. изменяет скорость от нуля до некоторого конечного значения (9,8 м/с), то в следующую секунду, действуя уже на движущееся тело, она изменит его скорость на ту же самую величину и т. д. Это и отражается законом пропорциональности скорости падения времени падения. Но Галилей не ограничился этим и, рассматривая движелие тела, брошенного горизонтально, настойчиво подчеркивал независимость скорости падения от сообщенной телу при бросании горизонтальной скорости: «Не замечательная ли вещь, - говорит Сагредо в «Диалоге»,- что в то самое малое время, которое требуется для вертикального падения на землю с высоты каких-нибудь ста локтей, ядро, силою пороха выброшенное из пушки, пройдет четыреста, тысячу, четыре тысячи, десять тысяч локтей, так что при всех горизонтально направленных выстрелах останется в воздухе одинаковое время».
Галилей определяет и траекторию горизонтально брошенного тела. В « Диалоге » он считает ее ошибочно дугой окружности В «Беседах» он исправляет свою ошибку и находит, что траектория движения тела параболическая.
Законы свободного падения Галилей проверяет на наклонной плоскости Он устанавливает важный факт, что скорость падения не зависит от длины, а зависит только от высоты наклонной плоскости. Далее он выясняет, что тело, скатившееся по наклонной плоскости с определенной высоты, поднимется на ту же высоту в отсутствие трения. Поэтому и маятник, отведенный в сторону, пройдя через положение равновесия, поднимется на ту же высоту независимо от формы пути. Таким образом Галилей по существу открыл консервативный характер поля тяготения. Что же касается времени падения, то оно в соответствии с законами равноускоренного движения пропорционально корню квадратному из длины плоскости. Сравнивая времена скатывания тела по дуге окружности и по стягивающей ее хорде, Галилей находит, что тело скатывается быстрее по окружности Он полагает также, что время скатывания не зависит от длины дуги, т. е. дуга окружности изохронна. Это утверждение Галилея справедливо только для малых дуг, но оно имело очень важное значение. Открытие изохронности колебаний кругового маятника Галилей использовал для измерения промежутков времени и сконструировал часы с маятником. Конструкцию своих часов он не успел опубликовать. Она была опубликована после его смерти, когда маятниковые часы уже были запатентованы Гюйгенсом.
Изобретение маятниковых часов имело огромное научное и практическое значение, и Галилей чутко понял значение своего открытия. Гюйгенс исправил ошибку Галилея, показав, что изохронной является циклоида, и использовал в своих часах циклоидальный маятник. Но теоретически правильный циклоидальный маятник практически оказался неудобным, и практики перешли к галилеевскому, круговому маятнику, который и поныне применяется в часах.
Еще при жизни Галилея Эванджелиста Торричелли (1608-1647) обратил на себя его внимание своим сочинением, в котором решил задачу о движении тела, брошенного с начальной скоростью под углом к горизонту. Торричелли определил траекторию полета (она оказалась параболой), вычислил высоту и дальность полета, показав, что при заданной начальной скорости наибольшая дальность достигается при направлении скорости под углом 45° к горизонту. Торричелли разработал метод построения касательной к параболе. Задача нахождения касательных к кривым привела к возникновению дифференциального исчисления. Галилей пригласил Торричелли к себе и сделал его своим учеником и преемником.
Имя Торричелли навсегда вошло в историю физики как имя человека, впервые доказавшего существование атмосферного давления и получившего «торричеллиеву пустоту». Еще Галилей сообщал о наблюдении флорентийских колодезников, что вода не вытягивается насосом на высоту более некоторого определенного значения, составляющего немного более Юм. Галилей заключил отсюда, что аристотелевская «боязнь пустоты» не превышает некоторого измеряемого значения.
Торричелли пошел дальше и показал, что в природе может существовать пустота Исходя из представления, что мы живем на дне воздушного океана, оказывающего на нас давление, он предложил Вивиани (1622-3703) измерить это давление с помощью запаянной трубки, заполненной ртутью При опрокидывании трубки в сосуд с ртутью ртуть из нее выливалась не полностью, а останавливалась на некоторой высоте, так что в трубке над ртутью образовывалось пустое пространство Вес столба ртути измеряет давление атмосферы Так был сконструирован первый в мире барометр.
Открытие Торричелли вызвало огромный резонанс Рухнула еще одна догма перипатетической физики. Декарт сразу же предложил идею измерения атмосферного давления на различных высотах Эта идея была реализована французским матемагиком, физиком и философом Паскалем Блез Паскаль (1623-1662) - замечательный математик, известный своими результатами в геометрии, теории числа, теории вероятностей и т. д., вошел в историю физики как автор закона Паскаля о всесторонней равномерной передаче давления жидкости, закона сообщающихся сосудов и теории гидравлического пресса В 1648 г по просьбе Паскаля его родственником был произведен опыт Торричелли у подножия и на вершине горы Пюи де Дом и был установлен факт падения давления воздуха с высотой. Совершенно ясно, что «боязнь пустоты», которую еще в 1644 г. признавал Паскаль, противоречила этому результату, как и установленному еще Торричелли факту изменения высоты ртутного столба в зависимости от состояния погоды Из опыта Торричелли родилась научная метеорология Дальнейшее развитие открытия Торричелли привело к изобретению воздушных насосов, открытию закона упругости газов и изобретению пароатмосферных машин, положившему начало развитию теплотехники. Итак, достижения науки стали служить технике Наряду с механикой стала развиваться оптика. Здесь практика опередила теорию. Голландские мастера очков построили первую оптическую трубу, не зная закона преломления света. Этого закона не знали Галилей и Кеплер, хотя Кеплер правильно чертил ход лучей в линзах и системах линз. Закон преломления нашел голландский математик Виллеброрд Снел-лиус (1580-1626). Однако он его не опубликовал. Впервые опубликовал и обосновал этот закон с помощью модели частиц, меняющих скорость движения при переходе из одной среды в другую, Декарт в своей «Диоптрике» в 1637 г. Эта книга, являющаяся одним из приложений к «Рассуждению о методе», характерна своей связью с практикой. Декарт отправляется от практики изготовления оптических стекол и зеркал и приходит к этой практике. Он ищет средства избежать несовершенства стекол и зеркал, средства устранения сферической аберрации. С этой целью он исследует различные формы отражающих и преломляющих поверхностей: эллиптическую, параболическую и т. д.
Связь с практикой, с оптическим производством вообще характерна для оптики XVII в. Крупнейшие ученые этой эпохи, начиная с Галилея, сами изготовляли оптические приборы, обрабатывали поверхность стекол, изучали и совершенствовали опыт практиков. Степень обработки поверхностей линз, изготовленных Торричелли, была настолько совершенна, что современные исследователи предполагают, что Торричелли владел интерференционным методом проверки качества поверхностей. Голландский философ Спиноза добывал средства к существованию изготовлением оптических стекол. Другой голландец - Левенгук - изготовлял превосходные микроскопы и стал основателем микробиологии. Ньютон, современник Снеллиуса и Левенгука, был изобретателем телескопа и собственноручно, с необыкновенным терпением шлифуя и обрабатывая поверхности, изготовлял их. В оптике физика шла рука об руку с техникой, и эта связь не порывается до настоящего времени.
Другим важным достижением Декарта в оптике была теория радуги. Он правильно построил ход лучей в дождевой капле, указал, что первая, яркая дуга получается после двукратного преломления и одного отражения в капле, вторая дуга - после двукратного преломления и двукратного отражения. Открытое Кеплером явление полного внутреннего отражения используется, таким образом, в декартовской теории радуги. Однако причины радужных цветов Декарт не исследовал. Предшественник Декарта в исследовании радуги, умерший в тюрьме инквизиции Доминис воспроизвел цвета радуги в стеклянных шарах, заполненных водой (1611).
Начало исследования в области электричества и магнетизма было положено книгой врача английской королевы Елизаветы Уильяма Гильберта (1540-1603) «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле, новая физиология», вышедшей в 1600 г. Гильберт первый дал правильное объяснение поведению магнитной стрелки в компасе. Ее конец не «влечется» к небесному полюсу (как думали до Гильберта), а притягивается полюсами земного магнита. Стрелка находится под воздействием земного магнетизма, магнитного поля земли, как объясняем мы теперь.
Гильберт подтвердил свою идею моделью земного магнита, выточив из магнитного железняка шар, который он назвал «терреллой», т. е. «земелькой». Изготовив маленькую стрелку, он демонстрировал ее наклонение и изменение угла наклонения с широтой. Магнитное склонение на своей террелле Гильберт продемонстрировать не мог, так как полюса его терреллы были для него и географическими полюсами.
Далее Гильберт открыл усиление магнитного действия железным якорем, которое правильно объяснил намагничением железа. Он установил, что намагничение железа и стали происходит и на расстоянии от магнита (магнитная индукция).
Ему удалось намагнитить железные проволоки магнитным полем Земли. Гильберт отметил, что сталь в отличие от железа сохраняет магнитные свойства после удаления магнита. Он уточнил, наблюдение Перегрина, показав, что при разламывании магнита всегда получаются магниты с двумя полюсами и, таким образом, разделение двух магнитных полюсов невозможно.
Крупный шаг вперед сделал Гильберт и в изучении электрических явлений. Экспериментируя с различными камнями и веществами, он установил, что, кроме янтаря, свойство притягивать легкие предметы после натирания приобретает ряд других тел (алмаз, сапфир, аметист, горный хрусталь, сера, смола и т. д.), которые он назвал электрическими, т. е. подобными янтарю. Все прочие тела, в первую очередь металлы, которые не обнаруживали такие свойства, Гильберт назвал «неэлектрическими». Так в науку вошел термин «электричество», и так было положено начало систематическому изучению электрических явлений. Гильберт исследовал вопрос о сходстве магнитных и электрических явлений и пришел к выводу, что эти явления глубоко различны и не связаны между собой. Этот вывод держался в науке более двухсот лет, пока Эрстед не открыл магнитное поле электрического тока.
«Я воздаю величайшую хвалу и завидую этому автору», - писал Галилей в «Диалоге» о книге Гильберта. «Он кажется мне достойным величайшей похвалы также и за много сделанных им новых и достоверных наблюдений, ...и я не сомневаюсь, что с течением времени эта новая наука будет совершенствоваться путем новых наблюдений и в особенности путем правильных и необходимых доказательств. Но от этого не должна уменьшаться слава первого наблюдателя».
Нам осталось добавить несколько слов об изучении тепловых явлений. Теплота и холод в аристотелевской физике были одними из первичных качеств и поэтому дальнейшему анализу не подлежали. Конечно, представления о «степени нагретости» или холода существовали и раньше, люди отмечали и сильный холод, и сильную жару. Но только в XVII в. начались попытки определения температуры более объективными показателями, чем человеческие ощущения. Один из первых термометров, точнее, термоскопов был изготовлен Галилеем. Исследования тепловых явлений после смерти Галилея продолжали флорентийские академики. Появились новые формы термометров. Ньютон изготовил термометр с льняным маслом.
Тема урока. Электризация тел. Два рода зарядов
Цель урока. Познакомить учащихся с явлением электризации тел. Доказать существование двух типов зарядов и объяснить их взаимодействие.
Задачи урока.
Образовательная . Формирование знаний, касающихся условий электризации тел.
Развивающая . Развитие навыков в определении заряда наэлектризованных тел.
Воспитывающая.
Демонстрации. Электризация эбонита и оргстекла трением, обнаружение заряда на этих телах по притяжению кусочков бумаги, струйки воды, линейки и листочков султана; электризация обоих соприкасающихся тел; наличие двух родов электрического заряда; взаимодействие листочков двух бумажных султанов, заряженных сначала разноименно, а затем одноименно.
Ход урока
1. Оргмомент.
Итоги контрольной работы , замечания, краткая характеристика наиболее часто встречающихся ошибок.
2. Основной материал.
Наука об электрических явлениях зародилась еще до нашей эры, начавшись с наблюдения за электрическими свойствами янтаря. В отличие от механики - науки о движении, давлении, равновесии, наука об электричестве до VI века так и оставалась в зачаточном "янтарном" состоянии. Почему в янтарном?
Греческий философ Фалес Милетский, живший в 624 – 547гг. до н. э., открыл, что янтарь, потертый о мех, приобретает свойство притягивать мелкие предметы – пушинки, соломинки и т. п. Это свойство в течение ряда столетий приписывалось только янтарю, от названия которого и произошло слово «электричество».
Возьмем пластмассовую расческу или авторучку и проведем ею несколько раз по сухим волосам или шерстяному свитеру. Как ни удивительно, но после такого простого действия пластмасса приобретет новое свойство: начнет притягивать мелкие кусочки бумаги, другие легкие предметы и даже тонкие струйки воды.
До Нашей эры не было пластмассовых расчесок и авторучек. Однако и в те времена подобные явления были хорошо известны. Для опытов по электризации трением брали окаменевшую смолу деревьев – янтарь – и натирали его шерстью. После этого и янтарь, и шерсть начинали притягивать к себе сухие травинки и пылинки. По-гречески янтарь – это "электрон". Отсюда и произошло современное слово "электричество" и название наэлектризованные тела.
Опыты показывают, что два тела – наэлектризованное и ненаэлектризованное – всегда притягиваются. Примеры: пластмассовая авторучка и тонкая струйка воды, янтарь и сухие травинки. Опыты также показывают, что два тела, наэлектризованные трением друг о друга, тоже всегда притягиваются. Например, наэлектризовавшись трением о наше тело (при ходьбе, движениях рук и ног) шелковая рубашка или юбка притягивается, "липнет" к телу.
Демонстрация опытов : Электризация эбонита и оргстекла трением, обнаружение заряда на этих телах по притяжению кусочков бумаги, струйки воды, линейки и листочков султана.
По мере проведения опытов учитель задает вопросы:
- Как можно определить, заряжены ли тела? Как показать, что при соприкосновении электризуются оба тела? Приведите примеры электризации тел, которые вы наблюдали в домашних условиях. При каких обстоятельствах это происходило?
После обсуждения демонстраций делаются выводы:
а) явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией;
б) в электризации всегда участвуют два тела. При этом электризуются оба.
Для обнаружения наэлектризованных тел служат специальные приборы – электроскопы. Внешний вид прибора вы видите на рисунке. Цилиндрический корпус (1) закрыт стеклом (2). Внутрь прибора вставлен металлический стержень (3) с легкоподвижными лепестками (4). От металлического корпуса прибора стержень отделен пластмассовой втулкой (5). Если выступающей части стержня коснуться каким-нибудь наэлектризованным телом, то лепестки отклонятся друг от друга.
Наэлектризуем эбонитовую палочку шерстяной варежкой, а стеклянную палочку – шелковым платком. Подвесив палочки на нитях, увидим, что эбонит и шерсть, стекло и шелк притягивают друг друга, а стекло и шерсть, эбонит и шелк отталкиваются друг от друга:
Отталкивающиеся заряженные тела в физике условились называть одноименно заряженными. А притягивающиеся заряженные тела условились называть разноименно заряженными.
До XVIII века ученые не делали различий между "стеклянным", "шерстяным", "шелковым" и другими видами электричества. Однако в 1733 году французский ученый Ш. Дюфэ выяснил, что существует электричество двух родов, в высокой степени отличных один от другого. "Один род я называю стеклянным электричеством, другой - смоляным... Тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством, и, обратно, оно притягивает тела со смоляным электричеством".
Как видите, Ш. Дюфэ обнаружил, что "стеклянным" электричеством можно наэлектризовать не только стекло, а любое тело (см. подчеркнутую фразу). Взгляните на рисунок справа. Верхней эбонитовой палочке мы передали некоторое количество "стеклянного" электричества, и она начала отталкивать стеклянную палочку. Нижняя же эбонитовая палочка наэлектризована как обычно: трением о шерсть или мех.
Полвека спустя термины "стеклянное" и "смоляное" электричество были заменены на другие: "положительный" и "отрицательный" заряд. Эти названия сохранились до сегодняшнего дня:
+q – положительный заряд (так заряжается стекло, потертое о шелк; шерсть, потертая об эбонит).
–q – отрицательный заряд (заряд шелка при трении о стекло; заряд эбонита при трении о шерсть).
Рождение учения об электричестве связано с именем Уильяма Гильберта (1540 – 1603, Англия). Он был одним из первых, утвердивших опыт, эксперимент как основу исследования. Он показал, что при трении электризуется не только янтарь, но и многие другие вещества и что притягивают они не только пылинки, но и металлы, дерево, листья, камешки и даже воду и масло. Он установил, что свойство притягивать легкие предметы после натирания, кроме янтаря, приобретают также и алмаз, сапфир, аметист, горный хрусталь, сера, смола и некоторые другие тела. Гильберт их назвал "электрическими", то есть "подобными янтарю". Все прочие тела, в первую очередь металлы, которые не обнаруживали таких свойств, он назвал "неэлектрическими". Так в науку вошел термин "электричество", и было положено начало систематическому изучению электрических явлений.
Следующим этапом в развитии учения об электричестве были опыты немецкого ученого Отто фон Герике (1Он сконструировал первую электрическую машину, представлявшую собой большой шар из серы, вращавшийся на железной оси. При натирании шара ладонью он сильно электризовался и мог электризовать другие тела. Используя свою машину, Герике впервые наблюдал отталкивание наэлектризованных тел и слышал треск электрических искр. С помощью этого прибора Герике обнаружил, что кроме притяжения, существует и электрическое отталкивание.
С начала XVIII века электрическими экспериментами увлекаются члены Лондонского Королевского научного общества. Они наблюдают электрическое притяжение не только в воздухе, но и в вакууме . Усовершенствование электрических машин, в которых серный шар был заменен стеклянным, а ладони – специальными подушками, привело к возникновению в обществе огромного интереса к электричеству. С середины XVIII века электрические опыты проводились в светских салонах и королевских дворцах, на заседаниях ученых обществ и в частных домах.
4. Закрепление. Разбирается ряд качественных задач по теме.
· Какие опыты доказывают, что существуют электрические заряды двух видов?
Казнь на электрическом стуле еще недавно считалась одним из самых гуманных способов умерщвления преступников. Однако за годы применения выяснилось, что такой вид казни отнюдь не является полностью безболезненным, а напротив, может причинить осужденному ужасные мучения. Что же может произойти с человеком, попавшим на электрический стул?
История электрического стула
Преступников стали казнить на электрическом стуле в конце XIX столетия, когда сторонники «прогрессивного» общества решили, что ранее существующие виды казней, такие, как сожжение на костре, повешение и обезглавливание, негуманны. С их точки зрения, преступник не должен дополнительно страдать в процессе казни: ведь у него и так отнимают самое дорогое – жизнь.
Считается, что первая модель электрического стула была изобретена в 1888 году Гарольдом Брауном, работавшим в компании Томаса Эдисона. По другим данным, изобретателем электрического стула стал стоматолог Альберт Саутвик.
Суть экзекуции такова. Осужденному выбривают наголо макушку и заднюю часть голени ноги. Затем туловище и руки накрепко привязывают ремнями к креслу, изготовленному из диэлектрика, с высокой спинкой и подлокотниками. Ноги крепят при помощи специальных зажимов. Вначале преступникам завязывали глаза, затем стали надевать на голову капюшон, а в последнее время – специальную маску. Один электрод прикрепляют к голове, на которую надевают шлем, другой – к ноге. Палач включает кнопку рубильника, который пропускает через тело переменный ток силой до 5 ампер и напряжением от 1700 до 2400 вольт. Обычно казнь занимает около двух минут. Подаются два разряда, каждый включается на одну минуту, перерыв между ними составляет 10 секунд. Смерть, которая должна наступить от остановки сердца, в обязательном порядке фиксирует врач.
Впервые данный метод казни был применен 6 августа 1890 года в Обернской тюрьме американского штата Нью-Йорк к Уильяму Кеммлеру, осужденному за убийство своей любовницы Тилли Зайглер.
Вплоть до настоящего времени в США были казнены таким образом более 4 тысяч человек. Также подобный вид казни применялся на Филиппинах. На электрическом стуле окончили свою жизнь и супруги-коммунисты Юлиус и Этель Розенберг, работавшие на советскую разведку.
«Лжегуманная» процедура
Предполагалось, что при пропускании через тело электрического тока человек умрет сразу. Но это случалось не всегда. Нередко очевидцам приходилось наблюдать, как люди, посаженные на электрический стул, бились в конвульсиях, прокусывали себе язык, изо рта у них шли пена, кровь, глаза вылезали из глазниц, происходило непроизвольное опорожнение кишечника и мочевого пузыря. Некоторые во время казни издавали пронзительные крики… Практически всегда после подачи разряда от кожи и волос осужденного начинал идти легкий дымок. Также были зафиксированы случаи, когда у человека, сидящего на электрическом стуле, загоралась и взрывалась голова. Довольно часто обгоревшая кожа «приклеивалась» к ремням и сиденью. Тела казненных оказывались, как правило, такими горячими, что к ним было невозможно притронуться, а в помещении потом еще долго витал «аромат» жженой человеческой плоти.
В одном из протоколов описан эпизод, когда на протяжении 15 секунд на осужденного воздействовали разрядом в 2450 вольт, однако через четверть часа после процедуры тот был все еще жив. В результате экзекуцию пришлось повторить еще трижды, пока преступник наконец не умер. В последний раз у него даже расплавились глазные яблоки.
В 1985 году в штате Индиана Уильяма Вэндивера аж пять раз подвергали ударам током. Чтобы убить его, понадобилось целых 17 минут.
По словам специалистов, при воздействии такого высокого напряжения человеческое тело, включая мозг и другие внутренние органы, буквально поджаривается заживо. Даже если смерть наступает достаточно быстро, то как минимум человек ощущает во всем теле сильнейший мышечный спазм, а также острую боль в местах соприкосновения с кожей электродов. После этого обычно происходит потеря сознания. Вот воспоминания одного из выживших: «Во рту был вкус холодного арахисового масла. Я почувствовал, как горят мои голова и левая нога, так что из всех сил старался вырваться из пут». 17-летний Вилли Фрэнсис, севший на электрический стул в 1947 году, кричал: «Выключите! Дайте мне дышать!»
Неоднократно казнь становилась мучительной в результате различных сбоев и неполадок. Так, 4 мая 1990 года, когда казнили преступника Джессе Д. Таферо, произошло возгорание синтетической прокладки под шлемом, и осужденный получил ожоги третьей-четвертой степени. Аналогичное приключилось и 25 марта 1997 года с Педро Мединой. В обоих случаях пришлось включать ток несколько раз. В общей сложности процедура казни заняла 6-7 минут, так что ее никак нельзя было назвать быстрой и безболезненной.
Большой резонанс вызвала история с убийцей целой семьи Алленом Ли Дэвисом, которому перед казнью заклеили кожаной лентой не только рот (вместо кляпа), но и нос. В итоге он задохнулся.
Стул или укол?
Со временем стало понятно, что «гуманная» казнь на самом деле зачастую представляет собой мучительную пытку, и ее применение ограничили. Правда, кое-кто считает, что дело тут вовсе не в гуманности, а в дороговизне процедуры.
В настоящее время казнь на электрическом стуле применяется только в шести американских штатах - Алабаме, Флориде, Южной Каролине, Кентукки, Теннесси и Виргинии. Причем осужденному предлагают на выбор – электрический стул или смертельная инъекция. В последний раз вышеупомянутая мера была применена 16 января 2013 года в Виргинии к Роберту Глисону, который специально убил двух своих сокамерников, чтобы пожизненное заключение ему заменили смертным приговором.
Кроме того, в США действует закон: если после третьего разряда приговоренный выживает, то он получает помилование: мол, значит, такова воля Божья…