Issuu on Google+

набор «Юный физик»


Содержание предисловие для взрослых предисловие для детей юному физику-экспериментатору

4 5 6

i. свет

7

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11

прямолинейное распространение света

образование тени светопись

самодельная камера-обскура

стрельба с зеркальным отворотом самодельный калейдоскоп самодельный перископ

свет на границе раздела двух оптических сред микроскоп из капли воды

булавочное отверстие улучшает зрение черная и белая бумага на солнышке

ii. звук 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

15

модель колеблющегося тела

15 16 17 17 18 18 19 20 21

самодельная свирель звучащий бокал

распространение звука в различных средах

звук не терпит пустоты нитяный телефон

звуковой огнетушитель рупор

cамодельный стетоскоп

iii. электричество 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15

22

индикатор электрического заряда электризация трением

электризация пенопластовых шариков

взаимодействие электрических зарядов взаимодействие заряженных тел

наблюдение за поведением мыльных пузырей в электрическом поле экспериментальная задача электрическая сепарация

самодельный электроскоп

определение знака заряда с помощью электроскопа электрически нейтральное тело проводники и изоляторы

самодельный электрофор

обнаружение «заряженных островков» на поверхности диэлектрика бездымный порох и электростатика

iv. магнетизм 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 5.1 5.2 5.3 5.4

взаимодействие намагниченных булавок самодельный компас из булавки взаимодействие магнитов наведенный магнетизм

опыт эрстеда в домашних условиях

простейший электромагнит

электромагнитная индукция модель электродвигателя вихревые токи

принцип записи информации на магнитном носителе

v. плавучесть тел виноградная карусель

22 24 24 25 26 27 28 28 29 30 30 31 32 33 34

35

магнитное притяжение полюсы магнитов

7 8 8 9 10 11 12 12 13 14 14

спасательный жилет для апельсина лягу на дно, как подводная лодка

35 36 36 37 38 38 39 40 40 42 43 43

45

простые опыты, демонстрирующие условия плавания тел

2

45 46 46 47


Содержание vi. давление в быстрых потоках жидкостей и газов 6.1 6.2 6.3 6.4

закон д. бернулли

парящий шарик–1 парящий шарик–2

самодельный пульверизатор

vii. реактивное движение 7.1 7.2 7.3 7.4

48 50 51 52

53

водяной двигатель

реактивный воздушный шар сегнерово колесо

48

на пути к пониманию формулы циолковского

53 54 54 55

упругие свойства воздуха

56

ix. давление воздуха

61

8.1 занимает ли воздух пространство? 8.2 производит ли атмосфера давление? 8.3 стакан-невыливайка 8.4 соломинка-кинжал 8.5 модель духового ружья 8.6 упрочняющее действие сжатого воздуха 8.7 изучение упругих свойств воздуха с помощью медицинского шприца 8.8 «надувательство» воздушного шара в условиях замкнутого объема

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

давление и концентрация молекул воздуха

резиновая мембрана как индикатор разности давлений давление и температура для полноты картины

исследование продолжается

56 56 57 57 58 58 59 60

61 62 62 63 63

x. управление давлением воздуха

64

xi. теплота

72

10.1 стакан-присоска—1 10.2 стакан-присоска–2 10.3 ода шприцу 10.4 всасывающее действие разреженного воздуха (или стакан-присоска–3) 10.5 разность давлений 10.6 фонтан в банке 10.7 физический аспект действия медицинских банок 10.8 «туннелирование» воздушного шарика внутрь стеклянной банки 10.9 магдебургские полушария

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6

изменение объема тел при их нагревании и охлаждении неужели, в самом деле? на лед или под лед?

шиворот–навыворот тепловая карусель чудеса без чудес

xii. элементы механики 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

72 74 74 75 76 76

77

колпачок в бутылке

как можно обнаружить силу атмосферного давления трение в руках

жесткость конструкции

самоуравновешивающаяся палка

xiii. элементы молекулярной физики 13.1 13.2 13.3

64 64 65 67 68 68 69 70 71

сравнение интенсивности теплового движения молекул воды при разных температурах живой цветок из бумаги поглотитель запаха

заключение. а что же дальше?

77 77 78 78 79

80 80 80 81

82

3


ПРЕДИСЛОВИЕ ДЛЯ ВЗРОСЛЫХ Детская любознательность не знает границ. Дети хотят знать все о себе и об окружающем мире. При этом окружающий мир они видят «разделенным» на две части: «мир вещей» и «мир людей». Каждый ребенок, вступая в сознательную жизнь, обнаруживает стремление познать эти «миры» и, реализуя это свое желание, вступает во взаимодействие с ними. В результате такого взаимодействия у ребенка возникает множество вопросов, ответы на которые он должен получать своевременно, ибо это в значительной мере стимулирует его любознательность и развивает творческое мышление. К сожалению, замечательные качества детского мировосприятия оказываются мало востребованными традиционным обучением, зачастую игнорирующим возрастные потребности зарождающейся личности, которые в последние десятилетия претерпели существенные изменения. Предлагаемый набор опытов «Юный физик» по существу является одной из первых попыток откликнуться на реальную потребность детей младшего школьного возраста в познании окружающего мира. Набор в принципе рассчитан на учащихся средней школы и, прежде всего, на ту их часть, которая еще не приступила к систематическому изучению школьного курса физики и, тем не менее, проявляющая интерес к физике. Содержимое набора и его содержание позволяют выполнить около сотни познавательных опытов по школьному курсу физики. Опыты подобраны так, что доступны для детей, достигших десятилетнего возраста. Характерной особенностью рекомендуемых опытов является их простота, которая определяется простотой используемого оборудования и объяснения, что в конечном итоге обеспечивает адекватное восприятие и понимание школьниками рассматриваемых физических явлений. Практически все опыты, вошедшие в набор, были выполнены и обсуждены с младшими школьниками на занятиях «Кружка очень юных физиков» Малого каразинского университета при Харьковском национальном университете имени В. Н. Каразина. Более чем десятилетний опыт проведения таких занятий показывает, что дети вполне успешно осваивают азы исследовательской деятельности, овладевают практическими умениями и навыками, позволяющими самостоятельно приобретать знания на основе экспериментирования. Описание рекомендуемых опытов производится достаточно подробно, неторопливо, может быть, на первый взгляд, несколько многословно. Все это сделано специально, с целью по возможности избежать ненужных затруднений в процессе выполнения опытов, тормозящих продвижение вперед. Следует отметить, что каким бы удачным не был набор опытов, его эффективность в значительной степени зависит от участия взрослых в их выполнении. Ваша помощь ребенку будет наиболее эффективной, если он увидит в Вас не назидательного «всезнайку», а своего помощника, партнера. Экспериментируйте вместе с детьми, вместе с ними размышляйте, ошибайтесь, сомневайтесь. Постарайтесь создать для ребенка атмосферу самостоятельного творческого поиска. Это поможет ему в будущем избавиться от «ленивой доверчивости» к авторитетам и достичь желаемых успехов. Чтобы Ваше сотрудничество с ребенком в области физического экспериментирования было максимально продуктивным, в набор, помимо «бумажного» сборника описаний рекомендованных опытов, включен видеокомментарий к большинству из них. Они не дублируют и не отрицают, а естественным образом взаимодополняют друг друга. Видеокомментарий выполнен в цифровом формате на DVD-диске, что позволяет выводить информацию на монитор компьютера или экран телевизора. 4


ПРЕДИСЛОВИЕ ДЛЯ ДЕтЕЙ Дорогой юный друг! Ты, наверное, уже слышал, что есть такая наука — физика. Впрочем, это и не так важно для нашей первой встречи. На Земле живет немало людей, которые даже не подозревают, что постоянно сталкиваются с физическими явлениями, наблюдают проявления законов физики. Многие, к примеру, совершенно не понимают, как устроен мобильный телефон, но прекрасно пользуются им. Человек может не знать, почему джемпер сохраняет тепло, однако с удовольствием его надевает, если на улице прохладно. Но что делать, если ты человек любознательный, если у тебя постоянно возникают десятки, сотни вопросов, на которые ты хочешь найти ответ? Почему стекло бьется? Почему рисует карандаш? Почему стрелка компаса, расположенного в данном месте, всегда ориентируется одинаковым образом? Почему в светозащитных очках жидкокристаллический экран включенного монитора воспринимается по разному в зависимости от твоего положения по отношению к экрану? Почему? Почему? Почему? Если ты действительно относишься к таким неисправимым «почемучкам», то набор «Юный физик» для тебя. Набор адресован, прежде всего, младшим школьникам, проявляющим интерес к физике. Содержание набора позволяет осуществить в домашних условиях около сотни простых, красивых, познавательных опытов практически по всем разделам школьного курса физики. Знакомясь с набором, ты на каком-то этапе обнаружишь, что не все элементы необходимого для выполнения опытов оборудования в нем представлены. Не переживай по этому поводу! Недостающие детали ты без особого труда найдешь в домашнем хозяйстве и с ведома родителей воспользуешься ими. И еще одно чрезвычайно важное замечание. Обрати самое серьезное внимание на строгое соблюдение требований техники безопасности — свода правил, выполнение которых обеспечивает твою безопасность в процессе выполнения опытов. Самые важные для тебя советы и рекомендации общего характера, которыми надо руководствоваться при выполнении опытов, приведены в ПАМЯТКЕ ЮНОГО ФИЗИКА. Ее следует внимательно прочитать и всегда придерживаться указанных правил. Если ты приучишь себя быть организованным, работать сосредоточенно, не суетясь, красиво, то тебя ожидают большие успехи в любом деле, которое ты выберешь в качестве дела всей твоей жизни. Желаем тебе удачи!

5


Памятка

юному физику-экспериментатору «Подготовку ученого, как и подготовку балерины, следует начинать по возможности рано, хорошо бы даже начинать с восьмилетнего возраста». *** «Учащимся следует изготовлять физические приборы по возможности самим, и чем более простыми средствами они будут ставить эксперимент, тем он ценнее». П. Л. Капица, академик, лауреат Нобелевской премии Эта памятка предназначена в первую очередь самым маленьким любителям физики и их родителям. Используя набор «ЮНЫЙ ФИЗИК», ты сможешь самостоятельно сделать некоторые физические приборы и осуществить свои первые опыты. Практически все, что тебе потребуется для опытов, ты сможешь найти в наборе и в своем домашнем хозяйстве. Прежде всего запомни несколько правил: • Приступай к работе только после того, как у тебя все приготовлено для опыта. • Веди рабочий журнал. Записывай все, что делал во время опыта и что при этом происходило. Изобрази схему установки. • Внимательно следи за ходом опыта. Иногда все будет происходить так быстро, что тебе придется повторить опыт несколько раз. Если тебе нравится заниматься исследованиями, старайся узнать как можно больше, а для этого: • Попробуй немного изменить устройство своего прибора и посмотри, будет ли результат таким же. • Придумай опыты сам, чтобы проверить свои идеи относительно того, что и как происходит. • Дома и на улице находи примеры явлений, аналогичные тем, в которых уже разобрался. • Не огорчайся, если тебе не ясно, что происходит, — неожиданное может открыться в любой момент. Знай, что многие знаменитые научные открытия были сделаны случайно. • Если опыт не вышел с первого раза, попытайся провести его снова или попробуй что-нибудь изменить, пока не получится. • Если твой результат не совпадает с тем, что написано, не огорчайся. Это не означает, что ты не прав. Попробуй не торопясь разобраться, что произошло и почему.

БУДЬ ОСТОРОЖЕН!!! Некоторые из научных опытов могут быть опасными. Попроси кого-нибудь из взрослых помочь тебе, если нужно что-то собрать или отрезать, а также при проведении опытов с огнем, кипятком, электричеством или химическими веществами. Не забудь погасить огонь и выключить плиту после окончания опыта.

6


I. СВЕт В окружающем нас мире нет, пожалуй, ничего более удивительного, чем свет. Знаешь ли ты о том, что все живое на Земле существует только благодаря солнечному свету? Свет несет нам тепло, и только поэтому наша планета не превращается в холодный кусок льда. Свет дает человеку возможность видеть, а значит, работать, учиться, гулять, заниматься спортом. можешь ли ты представить жизнь людей без света? Скорость света, как и скорость распространения любых других электромагнитных волн, представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и составляет 300 000 км/с.

1.1 ПрямоЛинеЙное раСПроСтранение СВета Сейчас тебе предстоит убедиться в том, что свет в однородной среде распространяется по прямым линиям, т. е. прямолинейно. Для опыта понадобятся: лазерная указка, картонные экраны с отверстиями (3 шт.), белый картонный экран, пластилин, нитки, ножницы. внимание! вам предстоит работа с использованием лазерного излучения. категорически запрещается направлять источник света на человека. попадание излучения в глаз может привести к ухудшению зрения.

Не забывая о правилах техники безопасности, приступай к выполнению опыта, иллюстрирующего прямолинейность распространения света. 1. Расположи один за другим экраны 1, 2 и 3 так, чтобы проделанные в центре каждого из экранов отверстия с твоей точки зрения оказались на одной прямой. 2. Установи лазерную указку так, чтобы она была на уровне отверстий. 3. Направь свет от лазера так, чтобы на белом экране «отпечатался» след лазерного излучения в виде пятна небольшого размера. 4. Протяни через отверстия нить и туго натяни ее между лазером и пятном на белом экране. Если нить не касается краев отверстий, то это означает, что свет распространяется прямолинейно. Убедись в этом сам.

7


СВет 1.2 оБраЗоВание тени Образование тени и полутени также служит прямым доказательством прямолинейного распространения света в оптически однородной среде. Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, тебе предлагается решить такую экспериментальную задачу: «Как изменяются размеры тени и резкость ее очертаний при изменении положения предмета, отбрасывающего тень, между источником света и экраном, на который эта тень отбрасывается?» Для опыта понадобятся: свеча, спички, карандаш, экран картонный белый, непрозрачная линейка.

Опыт выполняется в затемненном помещении в присутствии взрослых. Сравни между собой теневые изображения карандашей в двух случаях: карандаш и пламя параллельны друг другу; карандаш и пламя взаимно перпендикулярны.

1.3 СВетоПиСЬ Ты, как и все дети твоего возраста, безусловно, любишь рисовать. И наверняка уже знаешь, что есть люди, которые всю свою жизнь посвящают рисованию картин. Это — художники. Возможно, ты даже видел, как работают художники, как они кистью, мазок к мазку, рисуют свои картины. Но знаешь ли ты, что свет — тоже художник? Свет тоже может «рисовать», и не только тени. Хочешь узнать, как свет может делать рисунки? Давай посмотрим. Для опыта понадобятся: картонная коробка, горящая свеча.

Опыты выполняются в затемненном помещении в присутствии кого-либо из взрослых. 1. Проделай шилом в боковой стенке полой картонной коробки отверстие. 2. Помести коробку на столе, как это показано на рисунке. 3. Расположи перед отверстием свечу так, чтобы фитиль свечи и отверстие в коробке оказались приблизительно на одном уровне. 4. Зажги свечу. Изменяя расстояние между свечой и отверстием, найди такое положение свечи, при котором на противоположной стенке коробки будет наблюдаться максимально четкое изображение пламени свечи.

8


СВет 1.4 СамодеЛЬная камера-оБСкУра Сейчас тебе предстоит самостоятельно изготовить простейший оптический прибор — камеру-обскуру и выполнить с этой камерой несколько интересных опытов. Камера-обскура (от латинского camera obscura, буквально — темная комната) — простейший оптический прибор, позволяющий получать на экране изображения предметов. Камера-обскура представляет собой темный ящик с небольшим отверстием в одной из стенок, перед которым помещают рассматриваемый объект. Пучки света, исходящие из различных точек объекта, проходят через это отверстие и создают на противоположной стенке ящика (экране) действительное перевернутое изображение объекта. Для опыта понадобятся: два листа картона, бумага пергаментная, бумага черная, ножницы, клей, шило.

1. Из одинаковых листов картона склей две трубы. Диаметр одной трубы должен быть немножко больше диаметра другой. 2. Обклей черной бумагой одну из сторон картонной трубы (с большим диаметром). 3. Проделай шилом небольшое отверстие в черной бумаге. 4. Обклей пергаментной бумагой один из торцов трубы с меньшим диаметром. Она в наших опытах исполняет роль просветного экрана. 5. Вставь трубу с меньшим диаметром в трубу с большим диаметром. 6. Направь камеру отверстием на ярко освещенный объект, например на окно, и ты сразу же увидишь его. 7. Направь камеру отверстием на другой ярко освещенный объект, например на горящую электрическую лампу. И в этом случае ты сразу увидишь изображение нити накала лампочки. И в одном, и в другом случае изображения объектов оказались перевернутыми. Объясни почему. Для объяснения сделай рисунок. Изготовленная таким образом камераобскура позволила: • во-первых, получить изображения ярких объектов, светящихся собственным или отраженным светом, и на этой основе убедиться в справедливости закона о прямолинейном распространении света в оптически однородной среде; • во-вторых, проделывая опыты с камерой-обскурой, мы убедились в том, что резкость изображения конкурирует с его освещенностью. Задание. Измени форму отверстия. Исследуй, зависит ли качество изображения от формы отверстия. 9


СВет 1.5 СтреЛЬБа С ЗеркаЛЬнЫм отВоротом Прицеливание при стрельбе из стрелкового оружия основывается на законе прямолинейного распространения света. На деле это означает, что соответствующие точки целика, мушки винтовки или автомата и мишени должны находиться на одной прямой. При использовании в качестве «оружия» лазерной указки прямую прицеливания образуют ось указки и соответствующая точка мишени. В рассматриваемой экспериментальной задаче предлагается поразить цель с помощью лазерной указки, направляя ее не непосредственно на цель, а на плоское зеркало, т.е. попасть в цель отраженным от плоского зеркала пучком света. Другими словами, цель должна быть поражена «световым зайчиком». внимание! вам предстоит работа с использованием лазерного излучения. категорически запрещается направлять источник света на человека. попадание излучения в глаз может привести к ухудшению зрения. Для опыта понадобятся: лазерная указка, плоское зеркало, мишень.

1. Расположи плоское зеркало и картонку с изображением мишени на столе либо на полу. 2. Прицелься лазерной указкой непосредственно в мишень. 3. Выполни команду «Огонь!» — нажми на соответствующую кнопку лазерной указки. 4. Оцени критически результаты первой стрельбы. Откорректируй свои действия и повтори опыт еще 2–3 раза. Теперь тебе предстоит попасть в мишень, используя зеркало. 5. Прицелься лазерной указкой так, чтобы в мишень попал отраженный зеркалом лазерный пучок. «Стрельба», основанная на методе проб и ошибок, показывает, что попадание в цель имеет место лишь в том случае, когда указка направляется на изображение мишени в плоском зеркале.

10


СВет 1.6 СамодеЛЬнЫЙ каЛеЙдоСкоП Калейдоскоп — оптический прибор-игрушка в виде трубки, содержащей внутри три продольных, сложенных под углом зеркальных стекла; при поворачивании трубки вокруг ее собственной оси цветные элементы, находящиеся между зеркалами, отражаются и создают меняющиеся симметричные узоры. Для опыта понадобятся: одинаковые прямоугольные зеркальные элементы в количестве 3-х штук, цветные элементы (камешки, стеклышки, бумажные фигурки), картонная трубочка, скотч, пленка ПВХ.

Используя скотч, соедини между собой зеркальные элементы таким образом, чтобы они образовали пустотелую трехгранную призму. При этом зеркальные поверхности должны быть обращены вовнутрь призмы. 1. Возьми 3 зеркальных элемента, сними с них защитную пленку и с помощью скотча скрепи в виде треугольника (зеркалами внутрь). 2. Вставь эту конструкцию в картонную трубочку. 3. Из пленки ПВХ вырежи 3 круга (два по размеру трубочки и один — меньшего размера). 4. Круг меньшего размера вставь в трубочку так, чтобы он лег на зеркальные элементы. 5. Насыпь на этот круг бисер. 6. Возьми круг большего размера и с помощью скотча прикрепи его с обеих сторон трубочки. 7. Чтобы твой калейдоскоп выглядел красиво — обклей его цветной пленкой. 8. Калейдоскоп готов! Осталось посмотреть в глазок и увидеть красоту!

11


СВет 1.7 СамодеЛЬнЫЙ ПериСкоП Перископ — это оптический прибор для наблюдения из укрытий, танков, подводных лодок и др. Его можно использовать также на тех или иных зрелищных мероприятиях в случаях, если наблюдение происходящего невооруженным глазом оказывается невозможным из-за большого скопления людей. Для опыта понадобятся: два плоских прямоугольных зеркальных элемента, картон, скотч, ножницы.

Общий вид перископа и его оптическая схема представлены на рисунке. Отражающие поверхности зеркал параллельны друг другу и составляют угол 450 по отношению к вертикали. 1. Ознакомься с оптической схемой прибора и извлеки из набора детали, предназначенные для самостоятельного изготовления перископа. 2. Склей корпус перископа. 3. Вклей в корпус два одинаковых плоских зеркальных элемента. Обрати внимание на то, что отражающие поверхности зеркал обращены друг к другу. 4. Проведи испытания сделанного тобою перископа.

1.8 СВет на ГраниЦе раЗдеЛа дВУХ оПтиЧеСкиХ Сред Предлагаем выполнить опыт, который подтверждает эффект преломления света на границе раздела двух сред. Для опыта понадобятся: чашка, стопка монет, вода.

1. Возьми чашку и положи на ее дно стопку из шести 5-копеечных монет. 2. Не отводя глаз от монет, отходи до тех пор, пока край чашки не закроет их от тебя. Не меняя положения головы, довольно медленно наливай в чашку воду. 3. Монеты вновь стали видимыми.

12


СВет В чем здесь физика? Лучи, отражаемые монетами, при выходе из воды меняют направление своего распространения, другими словами, преломляются и попадают в глаз. При этом монеты и дно чашки, представляясь на прямом продолжении лучей зрения, кажутся приподнятыми. С рассмотренным явлением мы сталкиваемся постоянно. Возьми стакан, наполни его водой, опусти в него карандаш. Ты увидишь, что в том месте, где карандаш входит в воду, он «ломается».

1.9 микроСкоП иЗ каПЛи ВодЫ Сейчас ты познакомишься с простейшими моделями широко используемого оптического прибора, название которого хорошо известно любому школьнику. Это — микроскоп. Для опытов понадобятся: картон, полиэтиленовая пленка, стеклянная банка, скотч.

Ниже представлены простейшие варианты самодельных микроскопов. вариант 1

1. Проделай шилом в картоне отверстие диаметром 1,0—3,0 мм. 2. «Посади» с помощью пипетки каплю воды на это отверстие. 3. Рассмотри форму капли воды в случае, когда она удерживается в отверстии. Убедись, что капля воды приобрела форму линзы. 4. Испытай свой микроскоп, пытаясь, например, рассмотреть с его помощью газетный текст. вариант 2

1. Положи на дно трехлитровой банки рассматриваемый объект. 2. Закрой горловину банки не использовавшейся ранее прозрачной полиэтиленовой пленкой. 3. Продави по центру пленку так, чтобы в ней образовалось углубление. 4. Закрепи пленку удобным для тебя способом. 5. Налей воду в образовавшееся углубление. Ты получил водяную линзу. 6. Проведи испытание своего прибора. вариант 3

1. Налей в прозрачную банку любой вместимости воду. 2. Закрепи на боковой поверхности банки рассматриваемый объект. 3. Рассмотри сквозь банку интересующий тебя объект. 4. Проведи маленькое исследование: какая банка с водой дает большее увеличение — вместимостью 250 мл или 3 л?

13


СВет 1.10 БУЛаВоЧное отВерСтие УЛУЧШает Зрение Предлагаемый ниже исключительно простой опыт приводит к очень красивому результату — улучшает зрение человека. Для опыта понадобятся: открытка или лист бумаги, шило, текст.

1. Проделай шилом в бумажном листе или открытке маленькое отверстие. 2. Посмотри на мелкий текст в книге через отверстие. Если ты близорук и пользуешься очками, сними их. Через отверстие ты будешь видеть близкие и далекие предметы более четко, чем без него. В чем здесь физика? Когда лучи света, отраженные от книги, проходят через маленькое отверстие в бумаге, из всех лучей остаются лишь немногие, центральные лучи, а боковые задерживаются бумагой. Эти центральные лучи фокусируются на малой площади глазного яблока, на сетчатке (чувствительная к свету задняя сторона глаза). У изображений букв остается лишь плотная центральная часть, а размытые боковые части пропадают. Нам кажется, что происходит фокусировка размытого изображения: оно становится четче (но темнее, поскольку через отверстие проходит мало света). Другими словами, каждая точка текста будет изображаться очень маленьким пятнышком. Задание. Измени размер отверстия. При каком размере отверстия перестанет улучшаться изображение?

1.11 Черная и БеЛая БУмаГа на СоЛнЫШке Предлагаемый опыт посвящен проблеме взаимодейстия солнечного излучения с веществом. Для опыта понадобятся: два одинаковых стакана, белая бумага, черная бумага.

1. Заверни в бумагу два стакана. Один стакан — в белую, другой — в черную. 2. Поставь оба стакана на солнышко. Оцени с помощью рук температуру стаканов через час. Какой стакан теплее? В чем здесь физика? Стакан, завернутый в черную бумагу, нагревается сильнее, чем стакан, завернутый в белую бумагу. Это происходит из-за того, что черная бумага поглощает, а белая отражает солнечный свет. Когда свет поглощается черной бумагой, энергия излучения превращается в энергию тепла. Задание. Обверни стакан другим материалом, например алюминиевой фольгой. Нагревается ли он так же сильно, как завернутый в черную бумагу? Нагревается ли он больше, чем завернутый в белую бумагу? Обрати особое внимание на температуру сосуда, завернутого в фольгу. Фольга отражает солнечный свет. 14


II. ЗВук ежедневно тебя преследуют самые разнообразные звуки: голоса разговаривающих людей, рев реактивных самолетов, скрежет автомобильных тормозов, всплески воды, гудение телевизора и бесчисленное множество других звуков. некоторые из них могут вовсе не беспокоить тебя, даже быть для тебя приятными. изучение звука относится к числу занятий физиков, которые непрерывно ищут пути для управления звуками или для использования их в практических целях. Звук излучают колеблющиеся тела. Любое звучащее тело колеблется, но не любое колеблющееся тело звучит. Звучат тела, диапазон колебаний которых находится в пределах от 20 до 20 000 герц. Звук, в отличие от света, может распространяться лишь в материальной среде. Звучащее тело в обычных условиях приводит в колебание близлежащие частицы воздуха. те, в свою очередь, вовлекают в колебательное движение своих соседей и т. д. так возникает и распространяется звуковая волна. В итоге колебания доходят до нашего органа слуха, приводят в колебательное движение барабанную перепонку, и мы слышим звук. Скорость распространения звука при комнатной температуре приблизительно равна 340 м/c. Cкорость света намного больше скорости звука и составляет 300 000 км/c. Вот почему во время грозы ты вначале видишь молнию и лишь спустя некоторое время слышишь раскаты грома, хотя они происходят одновременно.

2.1 модеЛЬ коЛеБЛЮЩеГоСя теЛа Хорошей моделью колеблющегося тела может послужить обыкновенная ученическая линейка. Сейчас тебе предстоит проделать несколько опытов, которые помогут познакомиться с основными характеристиками звука. Для опыта понадобятся: линейка стальная, линейка деревянная, линейка пластмассовая.

1. Возьми упругую стальную линейку и плотно прижми ее к краю стола так, чтобы ее рабочая (свободная) часть была меньше зажатой. 2. Возбуди колебания свободного конца линейки.

возбуждаем колебания линейки

15


ЗВУк 3. Изменяя длину рабочей части линейки и размах ее колебаний, убедись, что высота тона, издаваемого колеблющейся линейкой, зависит от ее размеров, а громкость определяется размахом колебаний. 4. Убедись, что если длина рабочей части линейки больше половины ее общей длины, то линейка совершает колебания, но звуков при этом не издает. 5. В этой ситуации образование звука происходит при укорочении рабочей части линейки (учащение колебаний). Практика показывает, что образование звука происходит тогда, когда линейка совершает 20 колебаний в 1 с. Задание. Повторно выполни все проделанные тобой опыты с той лишь разницей, что вместо стальной линейки ты будешь использовать деревянную, а затем пластмассовую линейки. Как влияет материал, из которого сделана линейка, на характеристики звуковых колебаний, возбуждаемых с помощью этой линейки? Задание. Предложи способ измерения частоты колебаний, совершаемых свободным концом закрепленной на столе линейки.

2.2 СамодеЛЬная СВиреЛЬ Рассматривая световые явления, ты успел уже не только познакомиться с работой некоторых простых оптических приборов, но и сделать их модели своими собственными руками. Этот вид интересных заданий присутствует практически во всех разделах набора. Мастери, приобретай ремесленные навыки. Сейчас тебе предстоит изготовить модель музыкального инструмента. Для опыта понадобятся: трубочка для коктейля (широкая), ножницы, нож.

1. Сделай прорезь в одном из концов трубочки глубиной 15-20 мм вдоль оси. Образовавшиеся два лепесточка расплющь и обрежь, придав им форму, как на рисунке. 2. Отступив от прорези 25 мм, проделай с помощью шила три отверстия диаметром 3 мм каждое на равных расстояниях друг от друга. 3. Удерживая зубами конец трубочки с прорезью, подуй в нее. Свирель должна зазвучать. Перекрывая отверстия, добиваемся изменения звука.

16


ЗВУк 2.3 ЗВУЧаЩиЙ БокаЛ Что только не звучит в этом мире! Хочешь, в твоих руках зазвучит бокал? Да, обыкновенный стеклянный бокал. Желательно, чтобы он был тонкостенным. Для опыта понадобятся: стеклянный тонкостенный бокал, вода, мочалка, смоченная мыльным раствором.

1. Вымойте руки с мылом. 2. Намочи указательный палец в воде (или с помощью мочалки). 3. Проведи по ободу бокала, частично заполненного водой, мокрой подушечкой пальца. 4. Прислушайся, и ты услышишь, как «запел» бокал. Как? По какой причине? В чем здесь физика? При движении пальца по ободу кожа будет вести себя двояко. Она будет то скользить по ободу, то, наоборот, цепляться за него. При этом в стекле будут иметь место деформационные процессы, сопровождаемые звуковыми колебаниями. Следует учесть, что бокал по своей конструкции является резонатором и поэтому усиливает звук. Вопрос. Как ты считаешь, будет ли изменяться высота издаваемого бокалом звука в зависимости от высоты заполнения его водой?

2.4 раСПроСтранение ЗВУка В раЗЛиЧнЫХ СредаХ Как ты думаешь, существует ли различие между распространением звука, скажем, в воздухе и металле? Если есть, то в чем оно должно проявиться? Пусть опорой для твоих размышлений послужат результаты предлагаемого ниже опыта. Для опыта тебе понадобятся: столовая металлическая ложка, крепкая нить, стол

1. Привяжи ложку посередине нити, а концы прижми пальцами к ушам. 2. Наклонись, чтобы ложка могла спокойно раскачиваться, и ударь ею о край стола. 3. Запомни свои слуховые ощущения. 4. Повтори опыт, но на этот раз концы нитей к ушам не прикладывай, а просто удерживай в руках. Вопрос. Как ты объяснишь свои наблюдения в одном и другом случаях? Сравни свое объяснение с приведенным ниже. Колебания ложки в первом случае непосредственно передаются по натянутым нитям и костям черепа к органу слуха. Во втором случае звуковая волна распространяется по воздуху и сильно при этом рассеивается. 17


ЗВУк 2.5 ЗВУк не терПит ПУСтотЫ Предлагаемые опыты помогут тебе удостовериться в том, что звуковые волны существуют и распространяются в материальной среде. Для опыта понадобятся: резиновая перчатка, две металлические банки разного размера, деревянная линейка, пенопластовые шарики, шило, корковая пробка.

1. Натяни резиновую перчатку на открытое горлышко большой банки и закрепи ее с помощью круглой резинки или скотча. 2. На образовавшейся горизонтальной поверхности пленки помести 20–30 пенопластовых шариков самого маленького диаметра. 3. Удерживаемую в руке банку меньшего размера расположи открытым горлышком в направлении на шарики и периодически постукивай молоточком (на кончик шила надень корковую пробку) по дну маленькой банки. 4. Опиши результаты своих наблюдений. В чем здесь физика? В этом опыте колеблющееся дно маленькой банки выступает в качестве источника звуковых волн и одновременно рупора, задающего направление распространению звуковых волн. Звуковые волны представляют собой чередующиеся области сжатого и разреженного воздуха. Когда звуковые волны достигают упругой пленки, они заставляют ее вибрировать с некоторой частотой. Подпрыгивающие шарики выступают в качестве индикатора колебаний пленки. Если бы описанные опыты проводились в безвоздушной среде, звуковые волны просто не возникали бы.

2.6 нитянЫЙ теЛеФон Ознакомление с основами акустики предполагает выполнение хорошо известного опыта, который, пользуясь современной терминологией, можно назвать приблизительно так: «Выделенная линия связи». Выполнить этот опыт одному просто не под силу. Поэтому сразу найди себе напарника. Цель опыта — «наладить переговорный процесс» между двумя приятелями, гуляющими во дворе. Для опыта понадобятся: два одноразовых стаканчика вместимостью 100–150 мл, прочная нить длиной до 15 м.

В стаканчики ничего наливать не придется. Каждый из них будет выполнять две функции — функцию микрофона либо функцию наушника, причем когда один микрофон — другой наушник, и наоборот. Такие «способности» у них проявляются благодаря упругим донышкам, которые, как мембраны, хорошо вибрируют под действием внешней силы. 18


ЗВУк 1. Соедини стаканы между собой с помощью нити, как это показано на рисунке. Чтобы нить не выдергивалась из стаканов, сделай на ее концах достаточно большие узлы или привяжи к концу нити половину спички. Нить в рабочем положении должна быть натянута. 2. Ты и твой напарник расположитесь на расстоянии, равном длине нити. 3. Один приставляет стаканчик ко рту, другой к уху. Один говорит вполголоса, другой слушает. В случае, если бы связующая нить отсутствовала, то, как ты понимаешь, не было бы никакой связи. В этом ты можешь убедиться, отсоединив нить от стаканчиков Вопрос 1. Состоится ли беседа приятелей, если нить не натянута, а расслаблена? Поясни свой ответ. Вопрос 2. Будешь ли ты слышать своего напарника, если вас разделяет угол здания и нить касается стены? Вопрос 3. Как ты думаешь, что из нижеперечисленного лучше всего подходит на «роль» нити в нитяном телефоне: бинт, авиамодельная резина, леска для рыбной ловли, медная проволока?

2.7 ЗВУкоВоЙ оГнетУШитеЛЬ Звук, как и свет, распространяется по прямым линиям. В этом ты можешь убедиться, проделав простой, но поучительный опыт. Для опыта понадобятся: горящая свеча, пластиковая бутылка вместимостью 1,5–2,0 л без дна и медицинская перчатка, которая выполняет функцию дна.

Если направить горлышко пластиковой бутылки на пламя свечи и достаточно резко ударить несколько раз по ее дну молоточком — пламя свечи погаснет. Опыт получится более выразительным, если в качестве дна пластиковой бутылки использовать резиновую мембрану. 1. Замени дно пластиковой бутылки резиновой мембраной, используя в качестве таковой медицинскую перчатку. 2. Изготовь молоточек, используя шило, которое есть в наборе, и бутылочную пробку. 3. Установи свечу на столе и зажги ее. 4. Направь горлышко бутылки на пламя свечи и довольно резко ударь несколько раз по мембране молоточком — пламя свечи погаснет.

19


ЗВУк В чем здесь физика? Когда ты ударяешь по мембране, то она, естественно, отклоняется, выполняя при этом функцию своеобразного поршня. В результате произойдет сжатие молекул воздуха (уменьшится расстояние между молекулами), оказавшихся вблизи мембраны. За областью сжатия будет следовать область разрежения и т. д. Таким образом, звуковые колебания проходят через всю бутылку и гасят пламя свечи.

2.8 рУПор Ты хорошо представляешь, как трудно вести разговор, когда собеседник находится не рядом с тобой, а, наоборот, вдали от тебя. В подобных ситуациях обычно повышают голос, а то и просто переходят на крик, что, естественно, малоприятно. Оказывается, имеется другой вариант общения в такой ситуации, когда используют усилитель звука, или рупор. Рупор не дает звуковым волнам рассеиваться во всех направлениях, а концентрирует их в одном направлении — в направлении на собеседника. В результате можно общаться со своим напарником, особо не напрягаясь. Убедись в этом сам. Для опыта понадобятся: картон, ножницы, скотч.

20


ЗВУк 1. Согни из картона конус и скрепи его скотчем. 2. Отрежь вершину конуса из такого расчета, чтобы образовавшееся отверстие имело диаметр 5-6 см. 3. Выйдите со своим напарником во двор и разойдитесь на такое расстояние, чтобы общение было затруднено. 4. Воспользуйся изготовленным тобою рупором. Сравни громкость издаваемых тобою звуков при использовании рупора и без такового. Задание. Приведи примеры применения рупоров в практике. Приходилось ли тебе пользоваться самодельным рупором? Не спеши давать отрицательный ответ.

2.9 CамодеЛЬнЫЙ СтетоСкоП Приходилось ли тебе размышлять над тем, как врач с помощью медицинского прибора под названием фонендоскоп выслушивает больного и определяет, например, есть ли хрипы в бронхах или насколько ритмично бьется сердце? Глубже разобраться в этом вопросе тебе поможет предшественник фонендоскопа — стетоскоп, который тебе предстоит самостоятельно смастерить. Для опыта понадобятся: пластиковый стакан, трубка полихлорвиниловая, кусочек пластилина, ножницы.

Для выполнения опыта пригласи своего напарника. 1. Стань рядом со своим напарником и постарайся услышать его сердцебиение. Каков результат твоих стараний? 2. Проделай в дне пластикового стакана отверстие, диаметр которого позволит плотно вставить в него трубку из полихлорвинила. 3. Вставь один конец трубки в дно стакана. Место соединения трубки и стакана закрепи пластилином. Другой конец трубки вставь в ухо. 4. Вооружившись самодельным стетоскопом, выслушай сердцебиение напарника на этот раз. Что ты услышал? Благодаря чему?

21


III. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО В очень давние времена, еще за шесть веков до нашей эры, обрабатывая янтарь (окаменевшую смолу хвойных деревьев), греки обнаружили, что если его потереть о мех, то он приобретает новое свойство, проявляющееся наиболее заметно в притяжении легких тел: пушинок, кусков нитей, ворсинок, перышек. Удивительное свойство натертого янтаря долгое время не привлекало внимания ученых. Английский врач У. Гильберт (1544–1603) первым обнаружил, что таким свойством обладают не только янтарные изделия, но и тела из многих других веществ (алмаз, кварц, сера). Кроме притяжения, натертые тела проявили такие новые свойства, как искрение в случае, когда к натертому телу близко подносят палец; свечение, которое становится заметным, если натирание производится в темной комнате. Поскольку относительно янтаря все отмеченные явления были известны еще в древности, греческое название янтаря — электрон — дало повод назвать неизвестную причину этих явлений электричеством. Приводя тело трением в особое состояние, мы его электризуем, или заряжаем электричеством. Тело утрачивает электрические свойства, если коснуться натертых мест рукой или, например, пламенем свечи. Металлы не электризуются, т.е. не приобретают электрического свойства, если их при трении держать рукой. В настоящее время существует огромное количество разнообразных веществ, которые легко поддаются электризации: эбонит, органическое стекло, фторопласт, разнообразные пластмассы, пенопласт, полиэтиленовая пленка и многое другое.

3.1 ИНДИКАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА Для установления факта электрического состояния какого-либо тела, т.е. обнаружения притяжения к нему легких тел, особенно удобны приготовленные специальным образом воздушные шарики диаметром 1,5–2 см. Сделай и ты себе такой шарик. 1. Выдуй из лоскута резины от детского воздушного шара или медицинской перчатки маленький шарик диаметром до 3 см. 2. Завяжи шарик шелковой или капроновой нитью так, чтобы свободный конец нити был не менее 20–25 см в длину. 3. Покрой поверхность шарика графитом от грифеля мягкого карандаша до получения характерного металлического блеска. Такой подвешенный на нити шарик принято называть электрическим маятником. Для опытов понадобятся: пластина из органического стекла (плексигласа), лист писчей бумаги, электрический маятник.

Важной функциональной особенностью электрического маятника является его высокая чувствительность к электрическому состоянию тел, т. е. способность обнаруживать наэлектризованность этих тел. Она достигается благодаря его малой массе (m ≈ 0,05 г). Убедимся в этом на следующих опытах. 22


ЭЛектриЧеСтВо опыт 1

1. Поднеси электрический маятник к различным участкам пластины из плексигласа. Убедись в отсутствии реакции маятника на присутствие пластины. Этот экспериментальный факт дает основание утверждать, что пластина не наэлектризована, или, другими словами, не заряжена электричеством (рис. 1). 2. Наэлектризуй эту же пластину, натерев ее листом обыкновенной писчей бумаги. 3. Отдели лист от пластины и приблизь к пластине электрический маятник. Маятник отклоняется в сторону пластины (рис. 2), регистрируя, таким образом, наличие у нее электрического состояния (наэлектризованность, «заряженность»). 4. Наблюдай изменение ориентации маятника по отношению к пластине при изменении положения пластины в пространстве. На рисунке 3 зафиксировано притяжение маятника к пластине в случае, когда пластина занимает горизонтальное положение. опыт 2

1. Повтори опыт, только на этот раз с помощью электрического маятника обследуй лист бумаги, а не пластину. 2. Понаблюдай за поведением маятника в этом случае. 3. Сравни результаты своих наблюдений с приведенными ниже: вопервых, маятник притягивается к листу бумаги, которым натирали пластину; во-вторых, отмеченное притяжение оказывается весьма кратковременным. Из данного опыта следует, что при натирании одного тела другим каждое из них приобретает способность притягивать к себе легкоподвижные тела, т. е. при трении одного тела о другое заряжаются оба тела — и натираемое, и натирающее. Невыясненным пока остается вопрос о том, почему плексиглас остается заряженным длительное время, а лист бумаги утрачивает способность притягивать к себе легкие тела достаточно быстро.

рис. 1

рис. 2 23

рис. 3


ЭЛектриЧеСтВо 3.2 ЭЛектриЗаЦия трением Нет никаких сомнений, что ты уже не раз натирал ручку о собственные волосы и таким образом электризовал ручку, а затем использовал ее для поднятия «груза» — кусочка бумаги. Но, согласись, все это было больше похоже на баловство, чем на серьезное занятие научно-исследовательской работой. Давай еще раз убедимся в том, что в результате натирания тело приобретает новое свойство, которое проявляется в способности притягивать к себе другие тела. Для опыта понадобятся: пластина из оргстекла, пластина из полихлорвинила, шарик воздушный надувной, экран включенного телевизора, лоскут меха, лоскут шелка, лист писчей бумаги, набор легко подвижных тел (пенопластовые шарики, пушинки, обрывки нитей).

1. Натри пластину из органического стекла лоскутом меха. 2. Поднеси натертую пластину к набору легкоподвижных тел, лежащих на металлическом подносе. По мере приближения пластины к легкоподвижным телам последние притягиваются к пластине, причем некоторые из этих тел прилипают к пластине, другие же отскакивают от пластины либо просто падают вниз. 3. Повтори предыдущий опыт, только на этот раз к легкоподвижным телам по очереди подноси натертые тела из других материалов. В этом случае поведение легкоподвижных тел повторяется. При этом следует отметить, что не наблюдается никаких отличий при замене, скажем, натертой мехом пластины из оргстекла пластиной из полихлорвинила, натертой шелком или натертым бумагой надутым воздушным шариком. Как уже отмечалось, относительно янтаря эти явления были известны еще в древности, и греческое название янтаря дало повод назвать неизвестную причину этих явлений электричеством. Приводя тело трением в электрическое состояние, мы его электризуем, или, иначе говоря, заряжаем электричеством. Тело утрачивает свои электрические свойства, или разряжается, если коснуться натертых мест рукой или пламенем.

3.3 ЭЛектриЗаЦия ПеноПЛаСтоВЫХ ШарикоВ Распространенное словосочетание «электризация трением» не совсем удачное. Дело в том, что для электризации тела важен его контакт с телом из другого вещества. Трение лишь создает условия для соприкосновения двух тел, в результате которого и возникает столь необходимый для электризации контакт. Убедиться в этом поможет следующий опыт. Для опыта понадобятся: пенопластовые шарики, пластиковая бутылка вместимостью 0,5 л.

1. Засыпь в чистую и хорошо просушенную пластиковую бутылку на ¼ ее высоты пенопластовые шарики. 24


ЭЛектриЧеСтВо 2. Закрути пластиковую бутылку крышечкой и энергично потряси в течение 1-2 минут. В результате ты увидишь такую, дающую повод для размышлений, красивую картину: по внутренней поверхности бутылки более-менее равномерно распределены пенопластовые шарики. В чем здесь физика? Электризация состоялась! Легкоподвижные шарики притянулись к наэлектризованной соприкосновением внутренней поверхности бутылки.

3.4 ВЗаимодеЙСтВие ЭЛектриЧеСкиХ ЗарядоВ Имеется много приемов демонстрации взаимодействия электрических зарядов. В данном опыте рассматривается взаимодействие наэлектризованных воздушных шариков. Для опытов понадобятся: две пары воздушных шариков-бомбочек, лоскуты меха и шелка. опыт 1

1. Надуй все шарики приблизительно одинакового размера (5-7 см) и подвесь их на изолированных нитях длиной до 1 м. 2. Свободные концы нитей присоедини к резиновым колечкам, которые имеют возможность легко перемещаться по горизонтальному стержню. 3. Возьми пару шариков и натри каждый из них лоскутом меха. 4. Наэлектризованные шарики размести на горизонтальном стержне так, чтобы они не «чувствовали» друг друга. 5. Затем сближай колечки и наблюдай, как шарики при этом отталкиваются один от другого (рис. 1). 6. Повтори опыт с другой парой шариков, каждый из которых натирают лоскутом шелка. Результаты этого опыта не отличаются от предыдущего — шарики отталкиваются друг от друга.

рис. 1

рис. 2

опыт 2

В опыте участвуют по одному шарику из каждой пары: один — натертый мехом, другой — шелком. Результат этого опыта иной по сравнению с предыдущими: при сближении шарики притягиваются друг к другу (рис. 2). В чем здесь физика? Подобного рода опыты приводят нас к заключению о том, что при электризации тел в них появляются заряды двух значений, а не 25


ЭЛектриЧеСтВо одного. В самом деле, если во всех случаях электризации тел появлялись бы одинаковые (одного знака) заряды, то они и «вели бы себя» во всех случаях одинаково: или только притягивались, или только отталкивались. Таким образом, выполненные физиками опыты, включая наши, показывают, что мы имеем дело с зарядами двух знаков: или с зарядами, тождественными зарядам, появляющимся на резине при натирании ее мехом, или с зарядами, тождественными зарядам, появляющимся на резине, натираемой шелком. Никаких других зарядов в природе не существует. Заряды, появляющиеся на резине, натертой мехом, называются отрицательными. Заряды, появляющиеся на резине, натертой шелком, называются положительными. Опыты с наэлектризованными воздушными шариками позволяют охарактеризовать взаимодействие электрических зарядов следующим образом: одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются.

3.5 ВЗаимодеЙСтВие ЗаряженнЫХ теЛ Продолжая начатый разговор о взаимодействии заряженных тел, обратим внимание на наэлектризованные полосы из какого-либо материала. Наэлектризованную полосу можно рассматривать как своеобразную модель линейного заряда. Выбор подходящего материала привел к поролону и вощеной бумаге, легко доступным материалам из нашего обихода. Для опыта понадобятся: лента из бумаги, лента из поролона, ножницы.

1. Из тонкого поролона вырежем полосы длиной 0,5 м и шириной 3 см. 2. Зажмем пальцами одной руки концы двух свисающих поролоновых полос. 3. Пальцами другой руки наэлектризуем эти полосы. Полосы отталкиваются друг от друга, образуя конфигурацию, напоминающую букву Л. 4. Повторяя этот опыт с вощеной бумагой, получаем такой же результат. 5. В третьем опыте будем использовать две наэлектризованные полосы: одну из поролона, другую из бумаги. Они притягиваются друг к другу и слипаются.

26


ЭЛектриЧеСтВо 3.6 наБЛЮдение За ПоВедением мЫЛЬнЫХ ПУЗЫреЙ В ЭЛектриЧеСком ПоЛе В данном опыте предлагается понаблюдать за поведением мыльных пузырей различного размера, оказавшихся в электрическом поле. Для опыта понадобятся: мыльные пузыри, пластина из оргстекла.

1. Вначале наблюдаем за поведением мыльных пузырей в гравитационном поле Земли в отсутствие электрического поля. Все они без исключения плавно опускаются вниз. 2. Затем электризуем пластинку из оргстекла и вблизи ее выдуваем мыльные пузыри. Видно, как пузыри втягиваются в область электрического поля и устремляются к источнику рассматриваемого поля — заряженной пластине из оргстекла. Стремление опускаться вниз (притягиваться к земле) при этом сохраняется. 3. После соприкосновения с пластиной большая часть пузырей разрушается. Однако имеются и такие пузыри, которые после соприкосновения с пластиной отталкиваются от нее. Почему? Такое поведение можно объяснить эффектом взаимного отталкивания двух одноименно заряженных тел. Этот вывод подтверждается опытом. 4. Подносим снизу к отскочившему пузырю ту же самую заряженную пластину, в результате пузырь взмывает вверх и парит над пластиной. Задание. Предложи способ, как можно выдувать пузыри, чтоб они несли на себе электрический заряд. Поэкспериментируй с заряженными мыльными пузырями.

27


ЭЛектриЧеСтВо 3.7 ЭкСПериментаЛЬная ЗадаЧа Для опыта понадобятся: монета (1 грн), полоса бумаги, пластина из оргстекла, лоскут меха, одноразовый прозрачный стакан.

1. Поставь монету на ребро и сверху положи полоску бумаги. Теперь это «сооружение» накрой прозрачным одноразовым стаканчиком. 2. В задаче требуется сбросить с монеты бумажную полоску таким образом, чтобы монета не упала. Приступай к решению.

3.8 ЭЛектриЧеСкая СеПараЦия Предлагаемый опыт касается вопроса электрического взаимодействия веществ, различающихся своими физическими свойствами. Речь идет о выделении сыпучих веществ из смеси с использованием энергии электрического поля. В опыте осуществляется разделение смеси пищевой соли и молотого перца. Различие физических свойств этих веществ состоит в том, что одно из них — перец — является проводником, а другое — соль — непроводником, изолятором. Для опыта понадобятся: 1 чайная ложка соли; 1 чайная ложка молотого перца; пластина из оргстекла; лист писчей бумаги; металлический поднос.

1. Высыпаем на металлический поднос соль и перец. 2. Тщательно перемешивая, делаем смесь однородной. 3. Заряженную пластину располагаем на достаточно большой высоте по отношению к подносу, а затем начинаем медленно ее опускать. 4. Начиная с некоторой высоты, частички перца начинают «подпрыгивать» и притягиваться к заряженной пластинке. 5. По мере опускания пластины все большее количество перчинок оказывается на пластине. Соль при этом остается на подносе. Таким образом происходит электрическая сепарация исследуемой смеси. В чем здесь физика? Происходящее в опыте можно объяснить следующим образом. Натертая бумагой пластина из оргстекла имеет положительный заряд, вокруг которого возникает электрическое поле. Поскольку перец является проводником, то под действием электрического поля в его частичках происходит перераспределение заряда, т.е. эти частички становятся полярными. Полюс частички, расположенный ближе к пластине, имеет заряд, противоположный по знаку заряда пластине, т. е. отрицательный. Соответственно, удаленный полюс той же частички будет положительным. И так для каждой частицы. Каждая частица взаимодействует с пластиной. Это взаимодействие для каждой частицы проявляется в одновременном притяжении к пластине и отталкивании от нее. В этой конкурентной борьбе побеждает притяжение, поскольку отрицательные полюса частичек, по сравнению с положительными, расположены ближе к положительно заряженной пластине.

28


ЭЛектриЧеСтВо 3.9 СамодеЛЬнЫЙ ЭЛектроСкоП Самодельный электроскоп является простейшим электрическим прибором, с помощью которого можно обнаруживать электрические заряды и связанные с ними электрические поля. Прибор легко изготовить в домашних условиях. Для опыта понадобятся: пустотелая металлическая банка, тетрадный лист бумаги, скотч, ножницы, пластмассовая коробка.

Прибор представляет собой единый проводник, составленный из двух проводящих тел: пустотелого металлического цилиндра (банка из-под кофе), открытого с одной стороны, и лепесточка — полоски бумаги размером 70х5 мм, вырезанной из тетрадного листа бумаги. Лепесток крепится непосредственно на боковой поверхности металлического цилиндра с помощью скотча. Принцип действия электроскопа основан на взаимодействии одноименно заряженных тел. Такие тела, как известно, отталкиваются друг от друга. Этот принцип реализован в электроскопе следующим образом. 1. Если металлическому цилиндру сообщить заряд, то он распределится по всему составному проводнику — электрический заряд одного и того же знака приобретут и цилиндр, и полоска металлизированной пленки. 2. В результате взаимодействия с цилиндром подвижный листочек будет отталкиваться от последнего, образуя с ним некоторый угол. 3. По углу отклонения можно качественно судить о величине сообщенного электроскопу заряда. Непременным условием успешного использования прибора является его надежная изоляция от проводящих и слабо проводящих материалов. С этой целью электроскоп в рабочем состоянии располагается на подставке из изолирующего материала (например, пластмассовая коробка или пенопластовая пластина). При нормальной влажности и температуре электроскоп удерживает сообщенный ему заряд в течение 15 минут без заметного уменьшения отклонения лепесточка. Самодельный электроскоп позволяет выполнить практически все предусмотренные школьной программой опыты, требующие его использования.

29


ЭЛектриЧеСтВо 3.10 оПредеЛение Знака Заряда С ПомоЩЬЮ ЭЛектроСкоПа Как уже отмечалось, электроскоп может служить также для распознания рода заряда некоторого наэлектризованного тела. Давай вместе убедимся в этом. Для опыта понадобятся: электроскоп, тела, несущие на себе заряды противоположных знаков.

1. Если зарядить электроскоп определенным электричеством, например положительным, то при приближении тела, наэлектризованного одноименно, лепесток будет отклоняться еще больше; наоборот, угол между лепестком и цилиндром будет уменьшаться, если приближаемое тело заряжено разноименным зарядом.

3.11 ЭЛектриЧеСки неЙтраЛЬное теЛо Рассмотрим применение электроскопа для выяснения величины и знака зарядов, возникающих при электризации трением двух разнородных тел. Для опыта понадобятся: поролон, две пластмассовые линейки, электроскоп, скотч.

В качестве разнородных тел используется поролоновая полоса и пластмассовые линейки. Для удобства использования поролоновая полоса прикрепляется к линейке с помощью скотча. Потрем друг о друга поролон и пластмассу. Приблизим каждое из заряженных тел в отдельности к заряженному зарядом известного знака электроскопу. Результаты наблюдения показывают, что поролон заряжен отрицательно, а пластмасса — положительно. Если поднести к незаряженному электроскопу сложенные вместе линейки, то электроскоп на них никак не отреагирует. Отсюда следует, что при трении двух разнородных тел друг о друга появление одного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного ему электрического заряда противоположного знака. Тела, наэлектризованные равными противоположными зарядами, соприкасаясь, утрачивают свойство притяжения. Заряды при этом не уничтожаются, а нейтрализуются, т. е. на каждом из тел становится поровну положительных и отрицательных зарядов. Все это позволяет сделать очень важный вывод: каждое электрически нейтральное тело содержит равные количества положительных и отрицательных зарядов. Тело окажется наэлектризованным в том случае, если зарядов одного знака будет больше, чем другого.

30


ЭЛектриЧеСтВо 3.12 ПроВодники и иЗоЛяторЫ Ты уже неоднократно пользовался терминами «проводник» и «изолятор», и нет сомнения, что ты в эти слова вкладываешь правильное содержание. Но ты должен знать, что деление веществ на проводники и изоляторы в известной мере условно, так как, во-первых, не все проводники одинаково хорошо проводят электричество, во-вторых, и изоляторы, хотя и в слабой степени, все же проводят электричество. Чтобы лучше разобраться с проблемой электропроводности, давай поэкспериментируем. Для опыта понадобятся: электроскоп, медная проволока, деревянная линейка, шелковый шнур, леска, алюминиевая линейка, пеньковая веревка, бумажная лента, эбонитовая палочка, резиновая трубка, стальной стержень.

Поставим перед собой электроскоп и зарядим его. Затем поочередно будем брать рукой приготовленные для аттестации тела и касаться их свободным концом корпуса электроскопа. Так, например, касаясь электроскопа медной проволокой, отмечаем — лепесток прибора сразу опускается, что характеризует данный материал как проводник. Такой же результат имеет место при аттестации алюминиевой линейки, стального стержня. При прикосновении к электроскопу эбонитовой палочкой, шелковым шнуром, резиновой трубкой и т. д. электроскоп не разряжается, что убеждает нас в отсутствии проводимости этих тел. Интересный результат получается при исследовании деревянной линейки, бумажной ленты, пеньковой веревки. В этом случае наблюдается постепенное спадание лепестка, что свидетельствует о слабой проводимости данных веществ. Продолжая данное исследование, можно касаться заряженного электроскопа, скажем, бумажной лентой различной степени влажности и убедиться во влиянии влажности на проводимость бумаги. Следует отметить, что описанные выше опыты одновременно демонстрируют проводимость тела человека и пола помещения, где выполняются подобные опыты. Для полноты картины рекомендуется проделать опыты как при отрицательном, так и положительном заряде электроскопа.

31


ЭЛектриЧеСтВо 3.13 СамодеЛЬнЫЙ ЭЛектроФор Для проведения многих интересных опытов с наэлектризованными телами в домашних условиях недостаточно зарядов, которые можно получить натиранием расчески или пластмассовой линейки. Необходим более мощный и более надежный источник электрических зарядов. Таким источником уже не одну сотню лет служит прибор под названием «Электрофор», что в переводе с греческого означает «несущий электричество». Электрофор, который тебе предстоит «запустить», схематически изображен на рисунке. Он состоит из двух пластин прямоугольной формы. Одна пластина диэлектрическая, другая — проводящая. Проводящая пластина представляет собой тонкий слой металла на диэлектрической подложке. Обе имеют одинаковые размеры. Работа электрофора сводится к следующему: • На стол кладут диэлектрическую пластину, электризуют ее, допустим, отрицательно. • Сверху кладут проводящую пластину металлизированным слоем вниз. • В результате отрицательные частицы в металле — свободные электроны — будут отталкиваться от отрицательно заряженной нижней пластины и переместятся от нее как можно дальше. Таким образом происходит перераспределение зарядов в проводящем слое. • Чтобы этот слой оказался заряженным, его заземляют. Таким образом металлический слой оказывается заряжен положительно. Электроны уходят в землю. • Убирают заземление. • Удерживая верхнюю пластину за изолирующую ручку, последнюю отделяют от диэлектрической пластины. • Имеющийся на диске избыточный заряд распределится по всей ее металлизированной поверхности. Электрофор готов к работе. Для удобства заземления металлизированной пластины ее насквозь просверливают шурупом так, чтобы возник надежный электрический контакт между головкой шурупа и слоем металла.

32


ЭЛектриЧеСтВо 3.14 оБнарУжение «ЗаряженнЫХ оСтроВкоВ» на ПоВерХноСти диЭЛектрика Ниже обсуждаются опыты, из которых следует, что на поверхности диэлектрика связанные электрические заряды возникают лишь в тех областях, где имел место непосредственный контакт рассматриваемого диэлектрика с другим веществом. В дальнейшем этот «заряженный островок» в течение длительного промежутка времени остается сосредоточенным в месте своего возникновения, а не растекается по всей поверхности тела, как это обычно происходит в хороших проводниках, металлах. Для опытов понадобятся: пластинка из оргстекла, бумага, пенопластовые шарики, воздушный шарик, коллоидный графит, лоскут меха. опыт 1

При выполнении опытов по электростатике в качестве носителя электрического заряда обычно используют диэлектрическую эбонитовую палочку. Электризуя эбонитовую палочку трением, например о лоскуток меха, экспериментаторшкольник, не задумываясь, считает, что заряженной становится фактически вся открытая поверхность палочки, находившаяся в непосредственном контакте с мехом. По существу он оказывается правым, поскольку, натирая палочку, обычно стремятся получить максимально возможный электрический заряд. А  это на  практике автоматически проявляется в усердных действиях, итог которых — хорошо заряженная палочка. Если такую палочку поместить в пакет с манной крупой и затем извлечь оттуда, цилиндрическая поверхность палочки окажется равномерно покрытой крупинками манки, которые в этом случае выступают в качестве индикаторов электрического заряда. Для обнаружения островковой структуры электрического заряда на поверхности диэлектрика рекомендуется проделать следующий опыт. Берется тонкая пластина из диэлектрического материала, например из оргстекла, и электризуется трением. Электризации подвергается, естественно, не вся поверхность пластины, а некоторые ее участки, например вблизи вершин и приблизительно в центре. Затем пластина равномерно покрывается конфетти или шариками из  пенопласта, после чего пластина переворачивается и вновь возвращается в исходное положение. Индикаторы заряда удерживаются на тех участках пластины, где имеется поверхностный заряд. опыт 2

Островковую структуру электрического заряда на поверхности диэлектрика можно обнаружить иначе, другим способом. В этом случае используют электрический маятник, удерживаемый с помощью пластмассовой трубочки. Диэлектрическая пластина электризуется так же, как и в первом варианте. Маятник заряжают зарядом, противоположным по знаку заряда пластины. При приближении маятника к пластине он притягивается к одному из островков. Притяжение к другому островку происходит после простимулированного «прыжка» маятника. Таким образом, хорошо видно, что заряды не растекаются по поверхности диэлектрической пластины, а дислоцируются только в тех местах, где имело место натирание.

33


ЭЛектриЧеСтВо 3.15 БеЗдЫмнЫЙ ПороХ и ЭЛектроСтатика Физика находит применение практически во всех сферах человеческой деятельности, в том числе и в военном деле. Знаешь ли ты, например, что первые опыты применения бездымного пороха для винтовочных патрон��в были связаны с большим неудобством из-за одной особенности пороха? Во время взвешивания или отмеривания бездымного пороха его зерна прилипали ко всему: к рукам, совочку, весам, мерке. Это крайне затрудняло работу. Тогда была введена дополнительная операция при изготовлении бездымного пороха: графитование. Она была очень проста: поверхность зерна пороха покрывалась графитом, после чего неудобство исчезло. По всей видимости, зерна пороха в процессе изготовления сильно электризовались и по этой причине притягивались к любым телам. После введения операции графитования зерна пороха становились проводящими. Возникающие на них заряды беспрепятственно стекали на землю. Приведенное объяснение можно подтвердить модельным опытом. Для опыта понадобятся: пенопластовые шарики, коллоидный графит, полиэтиленовый пакет.

Поместим в полиэтиленовый пакет стакан пенопластовых шариков. Затем пакет встряхнем. Шарики наэлектризуются и станут весьма прилипчивыми. Далее воспользуемся имеющимся коллоидным графитом — загрузим его в пакет с шариками и опять потрясем, добиваясь почернения шариков. В итоге прилипание шариков исчезло.

34


IV. маГнЕтИЗм когда альберт Эйнштейн в возрасте 67 лет писал историю своей жизни, он вспомнил день, когда четырехлетним ребенком получил от отца новую игрушку — компас. Всегда Эйнштейн удивлялся этому чуду. может, и ты, как Эйнштейн, испытал это чувство, и твоим воображением владела или продолжает владеть тайна подковообразного магнита, притягивающего к себе железо. Выполняя предлагаемые ниже опыты, ты сумеешь наверняка найти ответы на ряд интересующих тебя вопросов в области магнетизма. мы надеемся, что ты не ограничишься своими первыми шагами в экспериментировании, что полученные ответы вызовут новые вопросы, и ты продолжишь свое знакомство с наукой. магнетизм был известен древним грекам еще в 600 г. до н. э. Фалес милетский, которого нередко называют отцом античной науки, знал о существовании минерала «магнетита», притягивающего обычное железо, и установил, что само железо способно намагничиваться после соприкосновения с этим природным минералом. то, что магнит может служить компасом, было обнаружено китайцами, по-видимому, в ХІ столетии. обобщающая мысль о том, что Земля представляет собой магнит, появилась у Уильяма Гилберта, работавшего при дворе английской королевы елизаветы в 1600 г., т.е. примерно в то время, когда Шекспир писал свою трагедию «Гамлет». одно из самых удивительных свойств магнита заключается в том, что если разломать магнит, то каждый обломок остается магнитом.

4.1 маГнитное Притяжение Тебе не раз приходилось держать в руках магнит. Магниты бывают разной формы: дугообразные, подковообразные, кольцевые, стержневые, дисковые. Но какую бы форму не имел магнит, он всегда притягивает к себе железные изделия. А изделия из других веществ тоже притягиваются к магниту? Давай попытаемся в этом разобраться на основе опытов. Для опыта понадобятся: магнит, ластик, полиэтиленовый пакет, стальной шуруп, алюминиевая фольга, медная проволока, карандаш, вода водопроводная, отвертка, соль, почтовая открытка, батарейка.

Тебе предлагается выяснить, какие вещества реагируют на магнит, а какие нет. Результаты наблюдений запиши в лабораторном журнале. Проверку на магнитное притяжение рекомендуем проводить следующим образом. 1. Подвесь каждое тело из соответствующего вещества на нити длиной до полуметра. 2. Медленно приближай магнит к каждому из подвешенных тел и, судя по реакции, делай соответствующие выводы. 3. Можно поступить наоборот: подвесить магнит и поочередно подносить к нему образцы различных веществ. Вопрос. Какие вещества притягиваются магнитом? Задание. Сравни вещества, притягиваемые магнитом, с веществами, притягиваемыми наэлектризованным телом. 35


маГнетиЗм 4.2 ПоЛЮСЫ маГнитоВ Знаешь ли ты, что имеется другое удивительное свойство магнитного притяжения. Если погрузить магнит в мелкие железные опилки, гвоздики или коробку скрепок, то они соберутся возле концов магнита, называемых полюсами, между тем как середина магнита останется совершенно свободной от них. Исследуй свой магнит на наличие полюсов. Для опыта понадобятся: магнитные таблетки, мелкие железные опилки, cтальной стерженек такого же диаметра, как и твои таблетки.

1. Погрузи магнитную таблетку в мелкие железные опилки. 2. Понаблюдай за поведением опилок и укажи, какие области таблетки, по-твоему, следует признать ее полюсами. 3. Вначале исследуй одну таблетку, затем другую. Далее обе вместе. После чего присоедини таблетки к торцам стержня и исследуй эту систему. Вопрос. Обнаружил ли ты магнит с одним полюсом? С тремя полюсами? С десятью? Задание. Выясни, притягивает ли какой-либо из полюсов магнита тело с отрицательным или положительным электрическим зарядом.

4.3 ВЗаимодеЙСтВие намаГниЧеннЫХ БУЛаВок Следующая серия опытов посвящена рассмотрению взаимодействия между магнитами. Особенность этих опытов состоит в том, что в качестве взаимодействующих магнитов используются плавающие намагниченные булавки. Чтобы булавки были идентичными, их намагничивание надо производить одинаковым способом. Так, например, при намагничивании перемещать магнитную таблетку относительно булавки каждый раз одинаковым образом. В опытах предлагается использовать портновские булавки, намагниченные с помощью магнитных таблеток. Для опыта понадобятся: магнитные таблетки, булавки, пенопластовые шарики, скрепка, открытый круглый сосуд с водой.

1. Намагнить для начала 6 булавок. 2. Надень на каждую булавку по одному пенопластовому шарику. 3. Отрегулируй положение шарика на булавке так, чтобы, находясь в воде, булавка плавала в вертикальном положении. 4. Помести в сосуд с водой две булавки. Расположи их рядом, но так, чтобы шарики-поплавки не соприкасались и чтобы поверхностное натяжение не стягивало их (приблизительно на расстоянии 1 см). Булавки сразу же разойдутся и замрут. 5. Поднеси с большого расстояния к булавкам магнит, сначала одним полюсом, а затем другим. Соответствует ли поведение намагниченных булавок твоим представлениям? 6. Опусти на воду поплавок с третьей булавкой. Каждый поплавок займет место в одной из вершин равностороннего треугольника. 36


маГнетиЗм 7. Поднеси к центру треугольника магнит. Намагниченные булавки либо разбегутся в стороны, либо соберутся вместе. Этот факт определяется совпадением или несовпадением полярности подносимого магнита и намагниченных булавок. 8. Проделай предыдущий опыт с четырьмя, пятью, шестью булавками. Каждый раз они будут занимать определенное положение по отношению друг к другу, пока между ними не наступит определенное магнитное равновесие. Три булавки образуют треугольник, четыре — квадрат, пять — либо пятиугольник, либо квадрат с одной булавкой в самом его центре. Нужно заметить, что не всегда получается строгая геометрическая фигура расположения булавок: и степень намагниченности может быть разная, и размеры самих булавок и поплавков разные. Задание. Проделай этот опыт с большим количеством намагниченных булавок. Интересно, какие фигуры они образуют?

4.4 СамодеЛЬнЫЙ комПаС иЗ БУЛаВки Вряд ли есть необходимость объяснять тебе, что такое компас. Если полосовой магнит или намагниченную булавку установить так, чтобы они могли свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, то, как хорошо известно, их концы будут показывать на север и юг. Подобный инструмент называют компасом. Тот конец булавки, который указывает на север, был назван северным полюсом (его обозначение N или С), противоположный конец — южным полюсом (обозначается S или Ю). А как сделать компас в домашних условиях? Довольно просто. Для опыта понадобятся: магнитная таблетка, булавка, пенопластовый шарик.

1. Возьми обычную булавку, которой пользуются портные, и намагнить ее с помощью магнита из набора. 2. Одень на булавку пенопластовый шарик и помести эту конструкцию в кювету с водой, чтобы она могла свободно плавать, не соприкасаясь со стенками кюветы. 3. Отрегулируй положение пенопластового шарика так, чтобы булавка в воде находилась в горизонтальном положении. Через несколько секунд земной магнетизм сориентирует булавку по оси север — юг. Тебе осталось разобраться, где север, а где юг. Для этого тебе надо воспользоваться обычным компасом или опереться на свои знания и умения ориентироваться на местности. Вопрос. Может ли наэлектризованная стеклянная или эбонитовая палочка служить компасом? Ответь на этот вопрос, предварительно проделав соответствующий опыт.

37


маГнетиЗм 4.5 ВЗаимодеЙСтВие маГнитоВ Почему компас показывает направление с севера на юг? Если поднести северный полюс магнита к северному полюсу свободно подвешенного магнита, то полюсы оттолкнутся друг от друга. То же произойдет и с двумя южными полюсами. Но если поднести друг к другу северный и южный магнитные полюсы, то они притянутся. Таким образом, одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются. Убедись в этом сам. Для опыта понадобятся: магнитные таблетки, пластмассовые крышки для закупоривания банок, больш��я пластмассовая миска с водой.

Пластмассовые крышки используются в качестве плотиков — носителей магнитных таблеток. Таблетка кладется на дно крышки одним или другим основанием (полюсом). Возможно размещение таблетки и на ребре. В этом случае можно использовать пластилин, чтобы зафиксировать ориентацию таблетки. Дальнейшие действия тебе, надеемся, понятны. Счастливого плавания! Тот факт, что разноименные магнитные полюсы притягиваются друг к другу, может объяснить, почему стрелка компаса показывает определенное направление. Так как северный конец стрелки указывает на север, то, видимо, где-то в  этом направлении должен находиться противоположный магнитный полюс. Это же можно сказать и в отношении южного магнитного полюса.

4.6 наВеденнЫЙ маГнетиЗм Если сближать магнит и кусок железа, они притянутся друг к другу так же, как разноименные полюсы двух магнитов притягивают друг друга. Магнетизм, возникающий в теле, близко поднесенном к магниту, называется наведенным, или индуцированным, магнетизмом. Если тело намагничивается путем соприкосновения его с магнитом, то это называется контактным намагничиванием. Мягкое железо и некоторые сплавы, намагниченные этим способом, после удаления источника магнетизма быстро утрачивают свойства наведенного магнетизма. Постоянные магниты — наиболее привычный нам вид магнитов. Они постоянные в том смысле, что, будучи однажды намагниченными, эти магниты сохраняют некоторый уровень остаточной намагниченности. Магнитные таблетки, которыми ты располагаешь, представляют собой довольно сильные постоянные магниты. Теперь тебе предлагается выяснить, к какому классу магнитных материалов относятся «прописанные» у тебя в портфеле предметы: мел, скрепки, кнопки, ручки, заточка для карандашей. Для опыта понадобятся: магнитные таблетки и набор материалов, подлежащих аттестации: мел, скрепки, кнопки, ручки, заточка для карандашей, шурупы.

Проведи намагничивание скрепок соприкосновением. Выясни длину образовавшейся линейной цепочки, состоящей из скрепок. Постоянный магнит можно изготовить, помещая стальной предмет, например иглу, поблизости или в контакте с сильным магнитом. Сталь можно также намагнитить трением в одном направлении полюсом сильного магнита. Вопрос. Сформулируй закон магнитного притяжения и отталкивания. 38


маГнетиЗм 4.7 оПЫт ЭрСтеда В домаШниХ УСЛоВияХ Долгое время магнитные и электрические явления считались разными понятиями, не связанными друг с другом. Впервые связь между этими явлениями установил Ганс Христиан Эрстед, датский физик (1777–1851). Опыт, поставленный им в 1820 году, сегодня может показаться кому-то простым и даже очевидным. Но тогда связь между электрическими и магнитными явлениями не только не была известна, но ее существование было трудно даже предположить. Однако Г. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная под проводником с электрическим током, при замыкании электрической цепи поворачивается и располагается перпендикулярно проводнику. Из опыта Эрстеда следует, что вокруг такого проводника существует магнитное поле. Повторим опыт Эрстеда в домашних условиях и убедимся в том, что результаты эксперимента воспроизводятся. Для опыта понадобятся: батарейка, соединительные провода (медная проволока), намагниченная стрелка, булавка с пластиковым шариком, кювет с водой.

В качестве магнитной стрелки используй плавающую на воде намагниченную стальную булавку. Ориентация на поверхности воды намагниченной булавки задается магнитным полем Земли. Провод, по которому протекает электрический ток, располагается параллельно булавке в одной плоскости с ней. Опыт выполняется следующим образом. 1. Замыкаем электрическую цепь. При наличии тока в цепи намагниченная булавка, расположенная под проводником с электрическим током, поворачивается на 900 и располагается перпендикулярно проводнику. 2. Размыкаем электрическую цепь. Плавающая намагниченная булавка вновь ориентируется на магнитные полюсы Земли. Открытие Эрстеда заключается в том, что любой проводник, по которому идет электрический ток, оказывается окруженным магнитным полем. Выполненный опыт, таким образом, позволяет обнаружить действие электрического тока на магнитную стрелку. Вопрос. Как ты думаешь, где сильнее действует магнитное поле на проводник с током, вблизи источника поля или вдали от него?

39


маГнетиЗм 4.8 ПроСтеЙШиЙ ЭЛектромаГнит Проволочная катушка, по которой идет ток, обладает свойствами магнита и называется электромагнитом. Простейший электромагнит легко изготовить в домашних условиях. Для опыта понадобятся: батарейка, стальной болт (гвоздь), медная проволока, бумага, ножницы, клей.

1. Возьми стальной болт и оберни его бумагой. Намотай на него медную изолированную проволоку диаметром 0,2–0,3 мм. Намотка должна быть плотной — виток к витку. 2. Концы обмотки очисть от изоляции и присоедини к батарейке. 3. Подвесь к своему электромагниту груз. 4. Взвесь этот груз. Не держи долго батарейку включенной, иначе она быстро истощится. Вопрос 1. Как ты думаешь, какой эффект даст увеличение тока, проходящего через электромагнит? Вопрос 2. К чему приведет увеличение числа витков провода в электромагните? Вопрос 3. В чем, по-твоему, заключается эффект введения стального сердечника в катушку? Задание 4. Предложи способ, как обнаружить провод с током, если он зацементирован в полу или находится глубоко под землей.

4.9 ЭЛектромаГнитная индУкЦия После того как в начале XIX века было установлено, что электрические токи порождают магнитные поля, ученые заподозрили, что должна наблюдаться и обратная закономерность: магнитные поля должны каким-то образом производить электрические эффекты. В 1822 году в своей записной книжке Майкл Фарадей записал, что должен найти способ «превратить магнетизм в электричество». На решение этой задачи у него ушло почти десять лет. В 1831 году М. Фарадей открыл, что электрический ток может быть вызван в  замкнутой цепи, не содержащей источник тока (батарейки), если только вблизи этой цепи будет двигаться магнит. Потрясающее открытие — ток без источника тока. Как такое может быть? Давай вместе разберемся в сути открытия М. Фарадея. До открытия было известно, что электрическая лампочка (выражаясь современными терминами) будет светиться в том лишь случае, если ее спираль будет соединена с источни40


маГнетиЗм ком тока (батарейкой). Фарадей экспериментально доказал, что лампочка будет светиться и без батарейки, если вблизи цепи будет перемещаться магнит. Ток возникал благодаря напряжению, «наведенному» при движении магнита. Повидимому, необходимым условием возникновения тока является движение магнита либо какое-нибудь другое изменение магнитного поля. Возникает вопрос: а что произойдет, если замкнутая цепь все-таки будет содержать батарейку, а ты все равно будешь вблизи этой цепи перемещать магнит? Если следовать логике Фарадея, это равносильно тому, что в электрическую цепь включили дополнительную батарейку, а раз так, лампочка должна светиться ярче. Пришла пора не рассуждать, а экспериментировать. Для опыта понадобятся: катушка для соленоида, проволока, светодиод, магнитные таблетки, две батарейки на 1,5 В каждая.

Теперь можно приступать к экспериментированию. 1. Намотай на катушку проволоку; другими словами — изготовь соленоид. 2. Собери электрическую цепь, состоящую из проволочной катушки и светодиода. Естественно, светодиод светиться не будет. 3. Собери цепь, состоящую из батарейки, проволочной катушки и светодиода. Светодиод светится слабо, не ярко. 4. В имеющуюся цепь добавь еще одну батарейку на 1,5 В. Лампочка светится ярко. 5. Возвращаемся к п. 3. Быстро вводим в катушку спаренные магнитные таблетки (прикрепи на стальной стержень с двух сторон магнитные таблетки), а затем извлекаем их из нее. И так поступаем несколько раз. В результате наблюдаем яркие вспышки светодиода, чередующиеся с его потуханием. В чем здесь физика? Если магнитное поле, пронизывающее замкнутую электрическую цепь, изменяется, то в этой цепи возникает электродвижущая сила, вызывающая электрический ток.

41


маГнетиЗм 4.10 модеЛЬ ЭЛектродВиГатеЛя То, что сделал Фарадей, казалось бы, страшно далеко от современных мощных энергосистем, но он открыл принцип, на котором основаны сегодняшние генераторы. Этот принцип заложен и в современные электродвигатели, без которых трудно представить сегодняшнюю жизнь. Электродвигатель — это электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию в энергию механическую. Электродвигатели создают и совершенствуют специалисты в области электротехники — инженерыэлектрики. Но без физики и физиков здесь не обойтись, ведь в основе любого технического устройства лежит физическая идея, физический принцип. Так, например, работа электродвигателя основывается на открытии М. Фарадея о силовом воздействии магнитного поля на внесенный в него проводник с током. Цель настоящего опыта продемонстрировать принцип действия простейшего электродвигателя. Для опыта понадобятся: магнитная таблетка, батарейка, шуруп и кусок медного провода. Шуруп должен иметь пл��скую шляпку.

Приступаем к экспериментированию. 1. Положи на плоскую шляпку шурупа магнитную таблетку. 2. Подвесь шуруп с магнитом к батарейке так, чтобы между клеммой и острием шурупа был точечный контакт. 3. Соедини медной проволокой свободный полюс батарейки и шляпку шурупа. 4. Предложи способ измерения частоты вращения шурупа. В чем здесь физика? На проводник с током (шуруп) в магнитном поле (магнит-таблетка) действует сила, которая приводит его во вращение. Учитывая малую силу трения (шуруп касается батарейки в одной точке), шуруп может раскручиваться до 10 000 оборотов в  минуту. По этой причине будь осторожен, не держи на уровне глаз работающий высокоскоростной электродвигатель. Задание 1. Выясни экспериментально: как будет себя вести электродвигатель, если изменить полярность батарейки? Если изменить полярность магнита? Если изменить полярность и батарейки, и магнита? Задание 2. Оцени красоту опыта.

42


маГнетиЗм 4.11 ВиХреВЫе токи Электрические токи наводятся (индуцируются) не только в линейных или спиралевидных проводниках, но и в массивных металлических образцах. Такие токи принято называть вихревыми. Вихревые токи можно обнаружить косвенным образом по их взаимодействию с магнитами. Для опыта понадобятся: магнитные таблетки, фольга алюминиевая, нить.

Мы помним, что алюминий является немагнитным материалом и в обычном состоянии к магниту не притягивается. Предполагается, что при быстром приближении магнита к подвешенному куску фольги, как и при быстром удалении магнита от этого куска, будет наблюдаться взаимодействие магнита и куска фольги. Проделай соответствующий опыт. 1. Подвесь квадратик из алюминиевой фольги на двух нитях так, чтобы он мог перемещаться в направлении либо на тебя, либо от тебя. 2. Поднеси довольно быстро спаренные магнитные таблетки к подвешенному алюминиевому квадратику и так же быстро удали их от него. Что же побуждает алюминий взаимодействовать с магнитом? В чем здесь физика? Дело в том, что движущийся магнит индуцирует в алюминии вихревые токи, которым можно сопоставить магниты. Взаимодействие магнитов, порожденных вихревыми токами, и движущимся магнитом и приводит к их притяжению и отталкиванию. Именно такая картина и наблюдается в опыте.

4.12 ПринЦиП ЗаПиСи инФормаЦии на маГнитном ноСитеЛе С древнейших времен человечество не только добывало знания, но и пыталось не потерять их, то есть обеспечить эффективное хранение накапливаемой информации. С момента зарождения письменности было перепробовано множество носителей информации от камня до воска, от тесьмы и до шкур животных. Изобретение в средние века дешевого и долговечного носителя информации (бумага) и, что очень важно, дешевого и эффективного способа записи на носитель (книгопечатание) вызвало настоящий информационный бум. Но что хорошо для человека — не подходит компьютеру. И с изобретением первой ЭВМ человеку пришлось искать новые, совершенно отличные от традиционных, способы хранения информации. Одним из таких способов является запись информации на магнитном носителе. Суть его состоит в том, что рабочая поверхность носителя изготавливается из специального материала — ферромагнетика. Если воздействовать на него внешним магнитным полем, то после прекращения воздействия проявляется остаточная намагниченность вещества. Еето и регистрируют затем считывающие устройства. Чтение/запись информации производят специальной магнитной головкой, перемещающейся относительно магнитного носителя. 43


маГнетиЗм Твоему вниманию предлагается модельный опыт, демонстрирующий сущность принципа записи данных на магнитном носителе. Для опыта понадобятся: отрезок полосовой магнитной резины, магнитная таблетка, компас. В опыте в качестве носителя информации используется отрезок полосовой магнитной резины. Считывающим устройством служит компасная стрелка.

1. Намагнить с помощью магнитной таблетки отрезок полосовой магнитной резины так, чтобы все его части имели одинаковую намагниченность. 2. Просканируй с помощью магнитной стрелки магнитное поле отрезка резины по всей его длине. Ты увидишь, что магнитная стрелка сохраняет свою ориентацию во всех участках просканированного отрезка. Это означает, что какая-либо информация на носителе отсутствует. 3. Приступай к записи информации. Для этого поменяй ориентацию магнитной таблетки на противоположную. 4. Намагнить при таком положении магнитной таблетки несколько участков полосовой резины. 5. Исследуй с помощью компаса отрезок полосовой магнитной резины по всей его длине. В результате обнаруживаем, как меняется ориентация стрелки в тех местах полосы резины, где произошло ее «перемагничивание». В этом случае можно сказать, что нами была записана информация на магнитный носитель. Эту информацию в любой момент времени можно «считывать» при помощи компасной стрелки. Такая информация может храниться достаточно долго, до тех пор, пока мы сами не сотрем ее с помощью сильного магнита. Задание. Выполни опыт сам, разберись в полученных результатах и расскажи о них своим товарищам.

44


ПЛаВУЧеСтЬ теЛ

V. ПЛаВуЧЕСтЬ тЕЛ В этой серии опытов тебе опять придется размышлять о законе архимеда, точнее, о вытекающих из него следствиях, в частности, об условиях плавания тел. интуитивно ясно, что ответ на вопрос — почему тело плавает (а другое — тонет), тесно связан с действием жидкости на погруженное в нее тело. нельзя удовлетвориться ответом, что легкие тела плавают, а тяжелые — тонут: пластилиновый шарик, конечно, утонет в воде, но если из этого шарика вылепить лодочку, то она будет плавать. При этом следует иметь в виду, массы шарика и лодочки одинаковы. отсюда следует вывод, что сравнением массы тел ограничиваться нельзя. надо учитывать еще и объемы, которые занимают тела соответствующей массы. оказывается, есть такая физическая величина, которая учитывает и массу тела, и объем вещества, из которого это тело состоит. Эта величина называется плотностью. Плотность вещества под названием «пластилин» больше плотности вещества под названием «вода». Это означает, что кубик пластилина имеет массу большую, чем такой же по объему кубик из воды. В этом случае принято говорить, что плотность пластилина больше плотности воды.

5.1 ВиноГрадная карУСеЛЬ Теперь давай вернемся к нашему очередному опыту. Суть его такова: если в стакан налить воду, а затем бросить в нее виноградинку, то она утонет. Ясное дело — плотность виноградинки больше плотности воды. А если налить в стакан сильно газированную воду? Поначалу виноградинка утонет по той же причине. Однако спустя небольшой промежуток времени виноградинка начнет всплывать. Достигнув поверхности воды, она вновь утонет. Затем опять начнет подниматься и вновь утонет. Проделаем этот опыт и мы. Для опыта понадобятся: стакан с газированной водой, виноградинка.

1. Опусти в стакан с газированной водой виноградинку. 2. Понаблюдай за поведением находящейся в воде виноградинки. 3. Опиши словами вид виноградинки в моменты времени, когда она оторвалась от дна стакана, когда двигалась вверх, когда вышла на поверхность. В чем здесь физика? Движение виноградинок в воде можно объяснить следующим образом. Молекулы растворенного в воде газа постепенно накапливаются на виноградинке, которая выступает для них в роли некой затравки, и образуют пузырьки газа. На определенном этапе плотность «композиции», образованной виноградинкой вместе с облепившими ее пузырьками, становится меньше плотности воды. В результате виноградинка, окруженная газовыми пузырьками, начинает подниматься вверх, всплывает. Коснувшись поверхности воды, газовые пузырьки лопаются. Виноградинка начинает тонуть. Вопрос. Как долго, по-твоему, будет курсировать изюминка в стакане с газированной водой? Задание. Выполни опыт с пластилином. Порассуждай, одинаковая ли плотность у пластилинового шарика и плавающей лодочки, вылепленной из этого шарика? 45


ПЛаВУЧеСтЬ теЛ 5.2 СПаСатеЛЬнЫЙ жиЛет дЛя аПеЛЬСина Предлагаемый опыт с апельсином является логическим продолжением предыдущего опыта под названием «Виноградная карусель». Если в предыдущем опыте виноградинка искусственным образом обрастала пузырьками и потому всплывала на поверхность воды, то в данном опыте апельсин уже по природе своей наделен «жилетом» из пузырьков. Давай убедимся в этом и мы. Для опыта понадобятся: сосуд с водой, апельсин.

1. Помести в сосуд с водой неочищенный апельсин. Убедись, что если неочищенный апельсин поместить в сосуд с водой, то он не тонет, плавает. 2. Сними кожуру с апельсина и помести его в сосуд с водой. Оказывается, что если с апельсина кожуру снять, то он сразу теряет способность удерживаться на воде, тонет. Выходит, что кожура апельсина играет роль спасательного жилета, удерживает апельсин на плаву. В чем здесь физика? Апельсиновая кожура, в отличие от виноградной, пористая, она содержит большое количество пузырьков воздуха. Наличие этих пузырьков влияет на среднюю плотность — она оказывается меньше плотности воды. Известно, что такое соотношение плотностей приводит к тому, что погруженное в жидкость тело плавает в ней, не ��онет. Задание. Можешь ли ты сейчас поразмышлять на предмет практического применения приобретенных в процессе экспериментирования с виноградинками и апельсинами знаний?

5.3 ЛяГУ на дно, как ПодВодная Лодка Наш разговор будет незавершенным, если не проделаем еще один опыт, связанный с проблемой плавания тел. На этот раз предлагается познакомиться с поведением картофелины в воде. Для опыта понадобятся: сосуд с водой, клубень очищенного картофеля, кухонная соль.

1. Опусти картофелину в банку с водой. 2. Понаблюдай за поведением картофелины в воде. Скорее всего ничего необычного в поведении картофелины ты не обнаружишь. Поскольку плотность картофеля больше плотности воды, картофелина сразу оказывается на дне банки. Спасительных пузырьков у нас нет. По какому пути идти, чтобы картофелина оказалась все же на плаву? В предыдущих опытах плавучесть достигалась уменьшением средней плотности виноградинки. А нельзя поступить наоборот — не уменьшать среднюю плотность утонувшего тела, а увеличивать среднюю плотность жидкости, в которой находится упомянутое выше тело? Самый простой способ увеличить плотность воды — это растворение в ней обыкновенной кухонной соли. Давай убедимся в этом на практике. 3. Добавляй понемногу в сосуд с водой обыкновенную кухонную соль до тех пор, пока картофелина не обнаружит стремления 46


ПЛаВУЧеСтЬ теЛ всплыть. Этот момент соответствует ситуации, когда плотность раствора соли в воде сравнивается с плотностью картофелины. Задание 1. Не возникло ли у тебя желание продолжить экспериментирование? Пословица по этому поводу гласит: куй железо, пока горячо! Попробуй поменять местам виноградинку и картофелину, точнее ее часть. Сформулируй результаты наблюдений и обсуди их со своими приятелями. Задание 2. Еще один опыт, который тебе предстоит выполнить. Разрежь картофелину пополам и в каждой половинке вырежи углубление. Затем половинки соедини, проткнув их спичкой, и помести картофелину вновь в банку с водой. Объясни результаты своих наблюдений. Вопрос 3. Как ты думаешь, если в банку с водой опустить вместо большого клубня картофеля маленький, он будет плавать или утонет? Просьба. Если ты хочешь, чтобы знания накапливались, а не терялись по дороге, систематизируй их. Для этого после завершения каждого эксперимента вспоминай, что у тебя получилось и почему получилось и, наоборот, что не получилось и почему не получилось. Накапливай радостные моменты в экспериментировании, избавляйся от неприятных.

5.4 ПроСтЫе оПЫтЫ, демонСтрирУЮЩие УСЛоВия ПЛаВания теЛ Предлагаемые простые опыты помогут тебе лучше разобраться в условиях плавания тел. Как известно, поведение тела, погруженного в жидкость, определяется соотношением плотности тела и жидкости. В опыте исследуется поведение трех несмешивающихся жидкостей разной плотности, которые в определенной последовательности наливаются в стеклянный сосуд. Для опыта понадобятся: стеклянный сосуд цилиндрической формы, вода, растительное масло, шампунь, стальной шарик, пластилиновый шарик.

1. Отмерь одинаковые объемы каждой из трех жидкостей. 2. Налей в цилиндрический сосуд сначала наиболее плотную жидкость (шампунь). 3. Затем добавь масло. Поскольку плотность масла меньше, нежели плотность шампуня, масло «плавает» в шампуне. 4. Теперь добавь порцию воды. Слой воды располагается между слоями масла и шампуня: вода «тонет» в масле, но «плавает» в шампуне. В чем здесь физика? Это происходит потому, что плотность воды больше, чем плотность масла, но меньше, чем плотность шампуня. Затем в образовавшийся трехслойный «бутерброд» из жидкостей бросаем стальной шарик. Шарик сразу же оказывается на дне сосуда, поскольку его плотность существенно больше плотности всех исследуемых жидкостей. Пластилиновый же шарик «зависает» между водой и шампунем. 47


VI. ДаВЛЕнИЕ В БЫСтРЫХ ПОтОкаХ ЖИДкОСтЕЙ И ГаЗОВ В «доброе старое время», когда переезды и перевозки по воде и по суше совершались черепашьими темпами, вопрос о явлениях в быстрых потоках жидкостей и газов не имел существенного значения. но в современной жизни транспорт предъявляет все большие и большие требования к скорости судов, поездов, автомобилей, самолетов и ракет, хотя, казалось бы, и так достигнутые скорости превосходят всякую фантазию. Большинство спортивных состязаний тоже связано с большими скоростями. Поэтому изучение явлений в быстрых потоках является сегодня актуальной физико-технической задачей.

6.1 Закон д. БернУЛЛи В технике изучение движения в быстрых потоках воздуха производится в особых аэродинамических трубах. Давай и мы сделаем простую модель подобной трубы и для начала поэкспериментируем с ней. Для опытов понадобятся: две одинаковые стопки книг, несколько листов бумаги формата А4, две свечи, два воздушных шарика, две бумажные полосы. опыт 1

1. Расположи на столе две стопки книг, как это показано на рисунке. 2. Положи сверху на книги лист бумаги. 3. Продуй с помощью фена воздух через образовавшийся тоннель. 4. Опиши словами результаты своих наблюдений. Не кажутся ли они тебе парадоксальными? На первый взгляд, казалось бы, давление воздуха внутри тоннеля должно увеличиться и сбросить лист бумаги с книг. И вдруг, вопреки нашему ожиданию и «здравому смыслу», лист бумаги, наоборот, втягивается вниз, в пространство между книгами, и тем больше, чем сильнее мы будем дуть через тоннель. Возникает масса вопросов. В чем здесь физика? Ты прекрасно понимаешь: для прогибания листа вниз необходимо, чтобы на него действовала сверху неуравновешенная сила. А для этого надо, чтобы или давление сверху стало больше, или давление под бумагой уменьшилось, или должно одновременно произойти и то и другое. Но так как воздух поверх бумаги остался нетронутым, то невероятно, чтобы давление сверху увеличилось. Тогда, очевидно, уменьшилось давление внутри тоннеля. Это уменьшение давления, оказывается, будет тем больше, чем быстрее будет струя воздуха, продуваемого через тоннель. Этот закон был открыт швейцарским математиком Даниилом Бернулли (1700–1782) и носит его имя. Он читается так: при увеличении скорости течения жидкости или газа давление уменьшается и, наоборот, уменьшение скорости потока вызывает увеличение давления.

48


даВЛение В БЫСтрЫХ ПотокаХ жидкоСтеЙ и ГаЗоВ Возможно, ты не вполне убежден в правильности этого закона. Твои сомнения вполне понятны и объяснимы. Как надо поступать в такой ситуации? Во всяком случае, чтобы остаться на научном уровне исследования, нужно рассмотреть логические следствия из этого закона и подвергнуть их экспериментальной проверке. опыт 2

Если действительно давление внутри потока уменьшается с увеличением скорости потока, то значит, если мы направим струю воздуха поверх листа бумаги, как показано на рисунке, то уменьшение давления сверху вызовет прогибание листа вверх. Опыт подтверждает это. опыт 3

В таком случае, если направить струю воздуха между двумя параллельно расположенными листами бумаги, то они, в соответствии с законом Бернулли, должны сблизиться. Опыт подтверждает и эти наши рассуждения. опыт 4

Расположи на поверхности стола на небольшом расстоянии друг от друга две горящие свечи. Подуй в промежуток между ними. Пламя свечей наклонится друг к другу. Это происходит потому, что струя воздуха проходит между свечами и создает в этом промежутке пониженное давление, а воздух, устремляясь сюда со всех сторон, наклонит языки пламени.

49


даВЛение В БЫСтрЫХ ПотокаХ жидкоСтеЙ и ГаЗоВ опыт 5

Такой же в идейном отношении опыт можно проделать и с двумя надувными воздушными шарами, подвешенными рядом на нитях. Подуй между ними — шарики сблизятся. опыт 6

Такой же результат получится и с двумя бумажными полосами. По всей видимости, эту серию опытов можно завершать. Экспериментальная проверка показала, что логические выводы из закона Бернулли оказались верными. Задание. Объясни поведение почтовой открытки в следующем опыте. Экспериментатор, желая поднять лежащую на столе открытку, ставит на нее по центру пустую катушку из-под ниток. Затем он наклоняется над столом и, придерживая катушку рукой, дует в отверстие катушки. Как ты считаешь, удалось ли экспериментатору осуществить свое желание? Подтверди свой ответ опытом.

6.2 ПаряЩиЙ Шарик–1 Ты, наверное, уже успел заметить на рисунке шарик, парящий в воздухе. Как такое может получиться? По всей видимости, «виновата» в этом струя воздуха, которую создает с помощью трубочки экспериментатор. Давай разбираться вместе, прибегнув к помощи опыта. Для опыта понадобятся: трубочка с гофрированым коленом, легкий воздушный шарик-бомбочка.

В качестве трубочки можно использовать пластмассовую с «коленом». Такие трубочки обычно используют, когда пьют напитки, коктейли и т.п. Приступаем к опыту. 1. Помести шарик непосредственно на отверстие загнутого вверх колена трубочки. 2. Подуй во второе свободное отверстие трубочки. Вопреки здравому смыслу, шарик не падает вниз, а начинает парить в воздухе. Вопрос остается открытым: почему так получается? Впечатление такое, что без Бернулли нам здесь не обойтись. В чем здесь физика? Дело в том, что когда ты начинаешь дуть, ст��уя воздуха действительно поднимает шарик над трубочкой. Согласно закону Бернулли, давление воздуха внутри струи меньше, чем давление окружающего струю воздуха, не вовлеченного в движение. Поэтому шарик находится в своеобразной воронке, стенки которой образует окружающий воздух. 50


даВЛение В БЫСтрЫХ ПотокаХ жидкоСтеЙ и ГаЗоВ Задание 1. Предложи способ, позволяющий убедиться в том, что давление воздуха в области струи меньше, чем вне ее. Задание 2. Если у тебя дома есть фен, попытайся с его помощью удержать в струе воздуха мячик от игры в настольный теннис. Пронаблюдай, удерживается ли мячик в струе при изменении угла наклона струи относительно пола.

6.3 ПаряЩиЙ Шарик–2 На этом, казалось бы, можно и завершить разговор о парящем шарике, но есть какая-то неудовлетворенность — а как будет себя вести шарик в струе воды, в чем сходство и различие в поведении шарика в струе воздуха и в струе воды? Трудно ответить на этот вопрос человеку, который совсем еще не изучал физику. В таких случаях рекомендуется обратиться к эксперименту — он, несомненно, даст пищу для ума. Самое удобное место для экспериментирования — это, конечно, ванная комната, а в летнее время — двор, дача, лишь бы вода была под напором. Для опыта понадобятся: шарик для настольного тенниса, резиновая трубка, вода под напором.

1. Расположи плавающий шарик под струей воды и отпусти его. Наблюдения показывают, что шарик захватывается струей и удерживается в ней в той области, где струя встречается с водой в кювете. Под действием струи он совершает беспорядочные вращательные движения. 2. Попытайся щелчком переместить шарик в другое положение. Ты убедился, что легкое пощелкивание ни к чему не приводит — шарик удерживается струей. По аналогии с воздушной струей можно предположить, что давление внутри струи меньше, чем на ее периферии. Если это так, то шарик в случае водяной струи тоже находится как бы в воронке. И это еще не все. Ведь мы наблюдали за поведением шарика в ниспадающей струе воды, а как он проявит себя в восходящей струе? 1. Для ответа на поставленный вопрос устрой на кухне «фонтан», надев на кран отрезок подходящей резиновой трубки. 2. Расположи шарик в верхней точке струи и отпусти его. К всеобщему удивлению и радости шарик будет совершать неупорядоченные колебательные и вращательные движения. Вопросы, которые мы весьма поверхностно обсудили, восходят к исследованиям в области аэро- и гидродинамики. Этими двумя непростыми словами называются те разделы физики, где изучаются движения жидкостей и газов. Придет время, и ты разберешься во всех этих непростых вопросах физики. Уже сейчас, опираясь на результаты выполненных опытов, ты можешь без особого труда разобраться, например, в принципе действия пульверизатора, водоструйного насоса, водяного пистолета.

51


даВЛение В БЫСтрЫХ ПотокаХ жидкоСтеЙ и ГаЗоВ 6.4 СамодеЛЬнЫЙ ПУЛЬВериЗатор Давай не будем, как говорится, откладывать дело в долгий ящик и разберемся с устройством и принципом действия пульверизатора прямо сейчас. Кстати, ты знаешь, что такое пульверизатор? Пульверизатор (фр. pulvérisateur, лат. pulvis — пыль) — прибор для распыления жидкостей мельчайшими частицами. Для опыта понадобятся: открытый сосуд с водой, две пластиковые трубки, пластилин.

1. Вылепи из пластилина фигуру, похожую на букву «Г». 2. Закрепи на этой фигуре пустотелые трубочки под прямым углом друг к другу. как показано на рисунке. 3. Опусти одну трубочку в жидкость (воду, одеколон), а через вторую подуй. Ты увидишь, что жидкость распыляется в виде мельчайших частиц. В чем здесь физика? В трубке создается некоторое разрежение. Жидкость под действием атмосферного давления будет подниматься по трубке и, попав в струю воздуха, будет дробиться на мелкие брызги. внимание! категорически запрещается направлять струю жидкости в сторону человека.

52


VII. РЕактИВнОЕ ДВИЖЕнИЕ Под реактивным понимают движение тела, возникающее при отделении некоторой его части с определенной скоростью относительно тела. При этом возникает т. н. реактивная сила, сообщающая телу ускорение.

7.1 ВодяноЙ дВиГатеЛЬ Приступаем к изучению основ реактивного движения. Для опыта понадобятся: пластиковая бутылка, кусок пенопласта, пробка, трубочку с гофрированным коленом, надутый воздушный шарик с зажимом.

1. Вырежи кусок пенопласта в форме лодочки. 2. Проделай в пенопласте отверстие под небольшую пластиковую бутылку и вставь ее туда. 3. Под пенопластом в боку бутылки проделай отверстие. Закрой бутылку пробкой. Через отверстие в пробке продвинь в бутылку конец гибкой резиновой или пластиковой трубки. 4. Второй конец трубки прикрепи к надутому воздушному шарику. Сняв зажим с воздушного шарика, ты заметишь перемещение лодочки в сторону, противоположную направлению струи воды, выбрасываемой из бутылки. Вопрос. Какую роль в опыте выполняет воздушный шар?

53


реактиВное дВижение 7.2 реактиВнЫЙ ВоЗдУШнЫЙ Шар Предлагается интересный вариант использования воздушного шара в опытах по реактивному движению. Для опыта понадобятся: шар воздушный, трубочку с гофрированным коленом, тазик с водой, пластилин.

1. Надуй детский воздушный шар и, прежде чем перевязать отверстие ниткой, вставь в него согнутую под прямым углом трубоску. Чтобы воздух не выходил из шарика, наружный конец трубочки заглуши пластилином. 2. В маленький тазик размером меньше диаметра шара налей воду и опусти туда шар так, чтобы соломинка торчала сбоку. 3. Отрежь конец соломинки вместе с пластилиновой пробкой. Воздух из шара будет выходить, и шар начнет вращаться на воде под действием реактивной силы.

7.3 СеГнероВо коЛеСо Разбираясь в сути реактивного движения, тебе будет полезно познакомиться с сегнеровым колесом. Собственно сегнерово колесо — это устройство, основанное на реактивном действии вытекающей воды. Оно было изобретено венгерским ученым Я. А. Сегнером в 1750 г. и явилось прообразом гидравлической турбины. Устройство представляет собой расположенное в горизонтальной плоскости колесо без обода, у которого спицы заменены трубками с отогнутыми концами так, что вытекающая из них вода приводит это колесо во вращение. Для опыта понадобятся: пластиковая бутылка, две трубочки с гофрированным коленом, пластилин.

Основным элементом предлагаемой твоему вниманию модели является пластиковая прозрачная бутылка. 1. Проделай в боковой стенке бутылки поближе к дну два диаметрально противоположных отверстия. 2. Вставь в оба отверстия и закрепи одинаковым образом изогнутые (буквой «Г») соломинки, наружные концы которых заглушаются пластилином. 3. Подвесь пластиковую бутылку на прочных нитях с возможностью вращения вокруг собственной оси. 54


реактиВное дВижение 4. Наполни бутылку водой. 5. Отрежь кончики трубочек вместе с пластилиновыми пробками. В этом случае бутылка приходит во вращательное движение. Вопрос. Как ты думаешь, от чего зависит скорость вращения бутылки?

7.4 на ПУти к ПониманиЮ ФормУЛЫ ЦиоЛкоВСкоГо В 1903 г. в Петербурге была опубликована статья К. Э. Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В  статье доказывалось, что единственный летательный аппарат, способный проникнуть за атмосферу и покинуть Землю, — это ракета. Циолковский разработал математическую теорию ракеты, указал наиболее выгодное топливо для нее, произвел расчет «ракетных поездов» (многоступенчатых ракет) и пришел к выводу о целесообразности искусственных спутников как стартовых площадок для ракет, отправляющихся к планетам Солнечной системы. Циолковский вывел формулу, позволяющую рассчитать максимальную скорость, которую может развить ракета. Из этой формулы следует вывод: в безвоздушном пространстве скорость ракеты тем больше, чем больше скорость истечения газов. Скорость газов зависит от вида топлива и температуры в камере сгорания. Предлагаемый в наборе модельный опыт позволяет сделать первые осмысленные шаги в понимании ракетоплавания. Для опыта понадобятся: шар надувной сферической формы, шар надувной цилиндрической формы, капроновая нить, пластиковая трубочка.

Моделью ракеты будет служить самый обыкновенный надувной воздушный шарик. Что общего между «красавицей» ракетой и надутым шаром? Что мы должны изучать с помощью воздушного шара, чтобы затем воспользоваться результатами этого изучения для понимания сути реактивного движения? Оказывается, этим общим элементом является истечение газа. Из сопла ракеты вырывается раскаленный газ — продукт сгорания топлива. Струя бьет назад — ракета летит вперед. В предлагаемой модели на волю вырывается не раскаленный газ, а сжатый воздух, в результате чего модель ракеты летит в противоположном истечению газа направлении. А теперь проделай опыты. Для опыта понадобятся: воздушный шар круглой и цилиндрической формы, леска, пластиковая трубочка, скотч.

Запусти по очереди в полет два шарика — один шарообразной формы, другой — цилиндрической. Сравни траектории их движения. Какая из них тебя больше устраивает? Почему? Вопрос. Как ты думаешь, зачем в оборудование к данному опыту включена леска, пластиковая трубочка и скотч?

55


уПРуГИЕ СВОЙСтВа ВОЗДуХа Газами называ��тся тела, стремящиеся занять максимально возможное пространство и поэтому не способные самостоятельно сохранять ни своей формы, ни объема. Примерами служат воздух, углекислый газ. Стремясь беспредельно расширяться, газы обладают в высшей степени и способностью сжиматься. При сжатии их стремление расширяться возрастает, и давление на стенки заключающего их сосуда увеличивается. но как может воздух и другие газы оказывать давление? разве воздух — вещество? есть ли у него вес? Занимает ли он пространство? как управлять давлением газов и как заставить газы работать на благо человека?

8.1 Занимает Ли ВоЗдУХ ПроСтранСтВо? Каждому приходилось слышать, как говорят о «пустом» стакане, бутылке, как бы полагая, что воздух в сосуде не занимает пространство и, следовательно, не является веществом. Давай и мы решим для себя вопрос: воздух — это вещество или нет? Как всегда в таких случаях, обратимся к опытам. Для опыта понадобятся: сосуд с водой, прозрачный стакан.

1. Погрузи опрокинутый вверх дном стакан в воду и понаблюдай, что происходит с водой в стакане. 2. Переверни стакан под водой. 3. Убедись, что если мы переворачиваем стакан под водой, то видим, как из него вырывается большой пузырь, после чего стакан наполняется водой. Тольке после того, как воздух вышел, вода сможет заполнить стакан. Отсюда мы можем заключить, что воздух занимает пространство.

8.2 ПроиЗВодит Ли атмоСФера даВЛение? Для ответа на поставленный вопрос проделаем несколько поучительных опытов. Для опыта понадобятся: сосуд с водой, прозрачный стакан.

Погружаем стакан в воду, переворачиваем его под водой вверх дном и затем медленно вытаскиваем из воды. При этом вода остается в стакане, пока края его находятся полностью под водой. Сразу возникают вопросы: почему? Как? По какой причине?

56


УПрУГие СВоЙСтВа ВоЗдУХа 8.3 Стакан-неВЫЛиВаЙка Для опыта понадобятся: сосуд с водой, прозрачный стакан, лист бумаги, кусочек бинта.

1. Накрой куском бумаги стакан с водой. 2. Слегка придавливая ладонью бумагу к горловине стакана, переверни его в воздухе вверх дном. 3. Убедись, что после того, как ты перестал поддерживать бумагу рукой, вода все равно не выливается из стакана. Опыт произведет еще большее впечатление, если вместо бумаги использовать кусочек бинта, сложенного вдвое. Эти наблюдения, а также учитывая тот факт, что воздух имеет массу, доказывают нам, что атмосфера производит давление.

8.4 СоЛоминка-кинжаЛ Предлагаемый опыт демонстрирует способность сжатого газа влиять на прочность сосуда, в котором он находится. Для опыта понадобятся: две пластмассовые трубочки и один клубень картофеля.

1. Почисть картофелину, разрежь ее пополам и положи плоской частью на разделочную доску. 2. Затем возьми соломинку и попытайся воткнуть ее в тело картофелины, как будто ты орудуешь кинжалом. Что из этого получилось? А ничего не получилось. Соломинка в этой ситуации оказалась непрочной и при соприкосновении с картофелиной просто согнулась. 3. Теперь повторим опыт. Только на этот раз один конец соломинки наглухо заглуши пальцем и со всего размаха вновь нанеси удар соломинкой в тело картофелины. В этом случае соломинка беспрепятственно входит в тело картофелины. В чем здесь физика? Объяснение здесь ясное. По мере продвижения трубочки в глубь картофелины сокращается объем той части пространства, где находится воздух. Сжатый воздух оказывает сопротивление — он давит по всем возможным направлениям и тем самым упрочняет соломинку, не дает ей согнуться. 57


УПрУГие СВоЙСтВа ВоЗдУХа 8.5 модеЛЬ дУХоВоГо рУжЬя Простым примером использования сжатого воздуха может служить духовое ружье, в котором упругость сжимаемого воздуха достигает необходимой величины, чтобы вытолкнуть с силой пробку (см. рисунок). Для опыта понадобятся: клубень картофеля, пластмассовая трубочка для напитков, деревянная палочка.

1. Используй результаты предыдущего опыта: возьми пластмассовую трубочку и заглуши ее канал с обеих сторон картофельными пробками длиной 1,5–2 см. 2. Затем, придерживая одну пробку, проталкивай палочкой другую, сжимая при этом воздух между пробками. В конечном счете, под действием сжатого воздуха пробка с шумом вылетает из ружья в заданном направлении.

8.6 УПроЧняЮЩее деЙСтВие СжатоГо ВоЗдУХа Эффект упрочнения, зафиксированный в предыдущем опыте, можно наблюдать в опыте с пластиковой бутылкой, содержащей сильно газированный напиток. Для опыта понадобятся: пластиковая бутылка с сильно газированным напитком.

1. Возьми в руки нераспечатанную пластиковую бутылку и попытайся каким-нибудь образом сжать ее. Обрати внимание, если взять в руки нераспечатанную пластиковую бутылку и попытаться ее сжать, то ничего из этого не получится. Пластиковая бутылка ведет себя так, будто она доверху наполнена напитком, т.е. не сжимается. 2. Повтори опыт, только на этот раз предварительно отлей из пластиковой бутылки воду в объеме 75–100 мл и вновь закрой ее. Убедись, что после проделанной процедуры пластиковая бутылка достаточно легко деформируется. 3. Потряси энергично пластиковую бутылку, и ты сразу заметишь, что ее способность деформироваться резко сократилась. В чем здесь физика? При встряхивании растворенный в напитке углекислый газ выделяется из воды и накапливается в пространстве над жидкостью. Этот сжатый газ оказывает достаточно сильное давление на стенки пластиковой бутылки, не дает им деформироваться. 58


УПрУГие СВоЙСтВа ВоЗдУХа 8.7 иЗУЧение УПрУГиХ СВоЙСтВ ВоЗдУХа С ПомоЩЬЮ медиЦинСкоГо ШПриЦа При умелом использовании обычный медицинский шприц можно использовать как физический прибор. Ниже обсуждается вариант использования одноразового медицинского шприца для изучения упругих свойств газов. Для опытов понадобится: шприц медицинский (20 мл), спичка. опыт 1

1. Установи изначально поршень приблизительно посередине корпуса шприца. Отметь для себя, что воздух внутри и вне шприца неотличим. Физики в таком случае говорят, что газ находится в одинаковом состоянии. 2. Заглуши заостренной спичкой отверстие под иглу. Состояние воздуха внутри и вне шприца по-прежнему остается одинаковым. 3. Удерживая шприц в одной руке, другой перемещай поршень по направлению вперед до упора. Теперь состояние воздуха внутри шприца изменилось — он сжат. Состояние воздуха снаружи осталось неизменным. 4. Опиши словами, что почувствовали твои руки по мере продвижения поршня вперед. 5. Отпусти поршень. Ты обратил внимание, что он стремится занять свое прежнее (начальное) положение, при котором состояние воздуха вне и внутри шприца одинаковое? В чем здесь физика? Давление сжатого воздуха больше давления воздуха, находящегося в атмосфере (атмосферного давления). Поведение сжатого воздуха аналогично поведению сжатой пружины — после прекращения действия внешней силы она стремится вернуться в исходное положение. опыт 2

Повтори предыдущий опыт с той лишь разницей, что перемещай поршень в противоположном направлении. В этом случае воздух внутри шприца не сгущается, а, наоборот, разреживается. Его давление становится меньше по сравнению с атмосферным давлением. Как и в предыдущем опыте, если поршень отпустить, то он стремится возвратиться в первоначальное положение. Разреженный воздух ведет себя подобно растянутой пружине. 59


УПрУГие СВоЙСтВа ВоЗдУХа 8.8 «надУВатеЛЬСтВо» ВоЗдУШноГо Шара В УСЛоВияХ ЗамкнУтоГо оБЪема Техника надувания воздушного шарика хорошо известна каждому. А как будет надуваться шарик, если его поместить вовнутрь какого-либо сосуда ограниченных размеров, например в пластиковую бутылку, т.е. надувать в условиях замкнутого объема? Предлагается процесс поиска ответа на поставленный вопрос сопроводить опытами. Для опытов понадобятся: воздушный шарик, пластиковая бутылка вместимостью 2–5 л. опыт 1

1. Помести в пустую пластиковую бутылку воздушный шарик и начинай его надувать. 2. Отслеживай внимательно весь процесс надувания шарика. В какой-то момент времени шарик перекрывает горловину пластиковой бутылки, после чего процесс надувания достаточно быстро стопорится. Отмеченное затруднение, по всей видимости, связано с тем обстоятельством, что увеличивающийся в размерах шарик играет роль поршня. Сжимаемый им воздух оказывает «упорное» сопротивление рассматриваемому процессу и, в конце концов, полностью затормаживает его. опыт 2

1. Проделай в стенке пластиковой бутылки поближе ко дну отверстие диаметром до 15 мм. 2. Помести вновь в пустую пластиковую бутылку воздушный шарик и приступай к его надуванию. В этом случае процесс надувания шарика происходит практически беспрепятственно — «лишний» воздух не накапливается в бутылке, а выходит из нее наружу, в атмосферу. На этот раз влияние пластиковой бутылки на процесс надувания шарика заключается лишь в придании последнему формы пластиковой бутылки. Шарик надувается до тех пор, пока он не займет практически полностью весь внутренний объем бутылки. Задание. После самостоятельного выполнения опытов подумай, как на основе этих опытов можно подготовить и показать соответствующий фокус. Подсказка: ключевые слова — «секретное отверстие».

60


IX. ДаВЛЕнИЕ ВОЗДуХа как рыбы, живущие в глубине океана, ничего не знают о давлении воды, так и большинство из нас не отдает себе отчета о той роли, какую играет в нашей повседневной жизни давление воздуха и других газов. а между тем сила давления играет существенную роль почти во всем, что происходит на Земле, начиная от взбивания сливок и до взрывов водородных бомб.

9.1 даВЛение и конЦентраЦия моЛекУЛ ВоЗдУХа Ниже обсуждаются опыты, выполнение которых позволит тебе расширить собственные первоначальные представления о таких физических величинах, как давление, объем, температура, концентрация молекул газа. Для опыта понадобятся: пластиковая бутылка вместимостью 2 л c завинчивающейся крышечкой, кювета, вода, шило, воздушный шарик, пластилин, полиэтиленовый пакет.

1. До начала выполнения опытов в стенке пластиковой бутылки на высоте 50-60 мм от уровня ее дна с помощью шила проделай отверстие, которое надежно закупорь пластилином. 2. Заполни пластиковую бутылку водопроводной водой приблизительно на 2/3 ее объема. Крышечку сними. 3. Убери пластилин («открой кран») и наблюдай за вытекающей из пластиковой бутылки струей. Для сбора воды используй кювету. 4. Объясни, почему вытекает вода из пластиковой бутылки. 5. Завинти крышечку и убедись, что через непродолжительный промежуток времени вода прекращает вытекать из пластиковой бутылки. 6. Повтори опыт еще 2–3 раза и убедись, что результаты опытов каждый раз повторяются. 7. Предложи свой вариант объяснения выполненного опыта. 8. В поиске правильного объяснения сравни состояние воздуха внутри пластиковой бутылки и вне ее в процессе вытекания воды.

61


даВЛение ВоЗдУХа В чем здесь физика? Естественно предположить, что причиной, по которой прекращается вытекание воды, является уменьшение давления воздуха в замкнутом пространстве над водой. С прекращением вытекания воды приостанавливается падение давления воздуха: атмосферное давление уравновешивается суммарным давлением воздуха в замкнутой части сосуда и давлением столба воды соответствующей высоты (расстояние между уровнем воды в бутылке и уровнем отверстия, проколотого в ней).

9.2 реЗиноВая мемБрана как индикатор раЗноСти даВЛениЙ Проверка выдвинутого в предыдущем опыте предположения осуществляется в последующих опытах. Для опыта понадобятся: пластиковая бутылка, воздушный шарик, вода, кювета.

Повтори предыдущий опыт, только вместо жесткой завинчивающейся крышечки используй крышечку эластичную, подвижную, например детский воздушный шарик. Такая резиновая крышечка, или резиновая мембрана, не только отсекает атмосферный воздух от воздуха в сосуде, но и выступает в качестве индикатора давления газа, она втягивается в ту область пространства, где давление воздуха меньше. Действительно, в рассматриваемом опыте резиновая пробка оказывается втянутой вовнутрь пластиковой бутылки, демонстрируя тем самым неравенство давлений по обе стороны от «резиновой границы». Данный опыт показывает, что давление газа зависит от числа молекул в единице его объема или, другими словами, от концентрации молекул газа. (Число молекул воздуха в замкнутом пространстве над водой сохраняется, а объем, который занимают эти молекулы, увеличивается за счет вытекания воды). Таким образом, выполненный опыт подтверждает нашу догадку об уменьшении давления воздуха над поверхностью воды в бутылке в процессе ее вытекания.

9.3 даВЛение и темПератУра Для опыта понадобятся: пластиковая бутылка вместимостью 2 л, кювета, вода.

Обхвати ладонями слегка, не нажимая, верхнюю часть пластиковой бутылки, и фактически сразу начнется вытекание (капание) воды. В чем здесь физика? Такой экспериментальный факт можно объяснить только лишь увеличением давления воздуха в замкнутом пространстве над водой. В свою очередь, увеличение давления воздуха следует связывать с его нагревом за счет тепла рук. Данный опыт помог нам обнаружить зависимость давления воздуха от температуры. Чем выше температура газа, тем больше скорость движения молекул, тем больше частота столкновений, тем выше давление.

62


даВЛение ВоЗдУХа 9.4 дЛя ПоЛнотЫ картинЫ В описанных выше опытах предлагается заменить в пластиковой бутылке воду комнатной температуры горячей водой и проделать все то же самое, что и в предыдущих случаях. Для опыта понадобятся: пластиковая бутылка, вода горячая.

Результаты наблюдений показывают, что при завинченной крышке прекращение вытекания воды чередуется с его возобновлением. Причем после вытекания очередной порции воды происходит «пробулькивание» — вовнутрь пластиковой бутылки проникает пузырек воздуха. Полученные результаты можно объяснить интенсивным испарением воды, которое приводит к увеличению давления разреженного газа. При этом нарушается вышеупомянутое равновесие, что проявляется в соответствующем вытекании воды. Затем процесс возобновляется.

9.5 иССЛедоВание ПродоЛжаетСя Для полноты картины о такой физической величине, как давление газа, тебе предлагается проделать опыт, в котором вместо обычной воды используется вода газированная. Для опыта понадобятся: пластиковая бутылка вместимостью 2 л, газированная вода, кювета.

Повторяем предыдущие опыты, только вместо обычной воды поместим в пластиковую бутылку воду газированную. (В газированной воде содержится под давлением растворенный углекислый газ). В этом случае, как и в случае 9.1, вода будет вытекать до тех пор, пока ее уровень не сравняется с уровнем отверстия в боковой стенке. В чем здесь физика? Несмотря на понижение давления, связанного с высотой столба вытекающей воды, давление над поверхностью воды будет оставаться выше атмосферного. Это избыточное давление создается выходящим из воды углекислым газом. Вопрос. Как долго будет выливаться из пластиковой бутылки газированная вода?

63


X. уПРаВЛЕнИЕ ДаВЛЕнИЕм ВОЗДуХа как тебе нравится заголовок? ты в ответ скажешь, что управлять можно велосипедом, автомобилем, в крайнем случае, государством. ты ошибаешься, ведь каждый человек с первого своего вздоха управляет давлением воздуха, иначе он не выживет. действительно, как мы дышим? За счет мышечного усилия мы увеличиваем объем грудной клетки, при этом давление воздуха внутри легких уменьшается. далее атмосферное давление «вталкивает» в легкие порцию воздуха. При выдыхании происходит обратное явление. а как мы пьем? Втягивание ртом жидкости вызывает расширение грудной клетки и разрежение воздуха как в легких, так и во рту. Повышенное по сравнению с внутренним наружное атмосферное давление «вгоняет» туда часть жидкости. так организм человека использует атмосферное давление. так что управлять давлением не только можно, а просто необходимо. Переходим к «ручному» управлению давлением воздуха.

10.1 Стакан-ПриСоСка—1 Предлагается найти способ «прилепить» одноразовый стакан ко рту так, чтобы он держался без помощи рук. Для опытов понадобится: одноразовый стакан.

1. Прижми рукой ко рту одноразовый стаканчик, после чего сделай ртом несколько всасывающих движений. В итоге стаканчик «прилипает» к лицу. Почему? В чем здесь физика? Прежде всего потому, что ты, делая всасывающие движения, «полакомился» молекулами воздуха из стаканчика. При этом вместимость стакана осталась прежней. На языке физики это означает, что концентрация молекул воздуха внутри стаканчика стала другой, уменьшилась. Снаружи стаканчика концентрация молекул осталась прежней. Но поскольку мы уже выяснили, что давление воздуха зависит от концентрации, причем чем больше концентрация молекул, тем выше давление, то правильным будет следующее утверждение: давление воздуха внутри стакана будет меньше давления воздуха снаружи его. В результате из-за наличия отмеченной выше разности давлений возникает нескомпенсированная сила, направленная в среду с меньшим давлением. Эта сила и будет прижимать стакан к лицу.

10.2 Стакан-ПриСоСка–2 Как и в предыдущей экспериментальной задаче, предлагается найти способ прилепить стакан, только не к лицу, а к надутому воздушному шарику. Для опыта понадобятся: одноразовый стакан, воздушный шарик.

Как быть в этом случае? Пока ясно одно — необходимо понизить давление внутри стакана, прижатого к оболочке шара. Но как это сделать, ведь мы не располагаем никаким оборудованием! Ты помнишь, что понизить давление внутри 64


УПраВЛение даВЛением ВоЗдУХа замкнутого объема можно, либо уменьшив каким-то образом концентрацию воздуха, либо понизив его температуру. Понижение температуры отвергается категорически. Так же отвергается и идея уменьшить число молекул в прижатом к шару стакане. Остается последняя возможность — увеличить объем пространства, предоставленного молекулам воздуха внутри стакана. Но как? Стакан не резиновый; он не растягивается. Но зато растягивается шар! Как воспользоваться этим обстоятельством, чтобы увеличить объем пространства в  стакане? По всей видимости, надо прижать стакан к предварительно надутому шару, после чего продолжить его надувание. На первый взгляд может показаться, что дальнейшее раздувание шарика приведет к сжатию, а не к разреживанию закупоренного в стакане воздуха. Следовательно, при надувании ��арика стакан будет отлипать от него, а не прилипать к нему. Однако если в процессе надувания шара внимательно присмотреться к нему, то можно увидеть, что по мере увеличения размеров шара кривизна его поверхности уменьшается, а не увеличивается. Другими словами, по мере увеличения радиуса шара происходит уплощение его поверхности. Поэтому шарик, раздуваясь, не входит глубже в стакан (как почему-то ожидалось), а, наоборот, выталкивается из него. Это приводит к увеличению объема внутренней части стакана при неизменном количестве молекул в нем. Следовательно, уменьшается концентрация молекул воздуха, что приводит к падению его давления внутри стакана. Задание. Предложи опыт, который бы позволил убедиться, что давление закупоренного в стакане воздуха после следующего его надувания увеличилось (уменьшилось).

10.3 ода ШПриЦУ Возникновение разности давлений на границе, разделяющей воздух, находящийся в двух разных состояниях, обычно демонстрируют с помощью стационарной установки, которая подсоединена к насосу. Под стеклянным колоколом, соединенным с вакумным насосом обычно помещают слегка надутый воздушный шарик или камеру от волейбольного мяча. Затем включают насос. По мере откачки наблюдают, что шарик раздувается, увеличивает свой объем. Причиной тому служит уменьшение концентрации воздуха под колоколом в результате откачки. Если теперь впустить воздух под колокол, то давление снаружи шара возрастет до прежней величины и шар вернется к исходному объему. В качестве границы, разделяющей воздух в разных состояниях, выступает резиновая оболочка шарика. Оказывается, подобные опыты можно с тем же успехом осуществить в домашних условиях. Экспериментальной установкой в нашем случае послужит обыкновенный одноразовый медицинский шприц. Благодаря своей конструкции, шприц может работать в режиме откачивающего и в режиме нагнетательного насоса. Для опытов понадобятся: медицинский шприц (20 мл), лоскут резины от воздушного шарика или медицинской перчатки, нитки, ножницы, пена для бритья.

65


УПраВЛение даВЛением ВоЗдУХа опыт 1

1. Изготовь предварительно маленький резиновый шарик, который будет использован в качестве индикатора давления. 2. Извлеки поршень и помести внутрь шприца шарик-индикатор. 3. Вставь поршень так, чтобы он находился посередине корпуса шприца. 4. Заглуши пластилином или заостренной спичкой отверстие под иглу (рис. а). 5. Сожми сильно воздух в шприце. Убедись, что при увеличении давления сжимаемого воздуха уменьшается объем шарика-индикатора (рис. б). Аналогично поступают в случае, когда воздух в шприце разреживают, а не сжимают. В этом случае шарик-индикатор увеличивает свой объем (рис. в). В чем здесь физика? Из выполненных опытов видно, что, когда давление на данную массу газа увеличивается, объем газа уменьшается и, наоборот, когда давление уменьшается, объем увеличивается. опыт 2

1. Извлеки поршень. 2. Введи в шприц 0,5 мл пены для бритья. 3. Вставь поршень в корпус шприца таким образом, чтобы в нем не было пустого пространства. 4. Заглуши пластилином или заостренной спичкой отверстие под иглу. 5. Попытайся извлечь поршень из корпуса. Убедись, что по мере извлечения поршня образующееся «пустое» пространство сразу же заполняется пеной. В чем здесь физика? Оказывается, все дело в том, что в пене содержится большое число пузырьков, которые, находясь в разреженном воздухе, стремятся увеличить свой объем.

рис. а

рис. б

рис. в

66


УПраВЛение даВЛением ВоЗдУХа 10.4 ВСаСЫВаЮЩее деЙСтВие раЗреженноГо ВоЗдУХа (иЛи Стакан-ПриСоСка–3) С всасывающим действием разреженного воздуха люди часто сталкиваются в своей повседневной практике. Этим действием определяется, к примеру, работа медицинского или кондитерского шприцов, медицинских банок, пипеток, присосок на кухне или в ванной комнате и пр. В предлагаемом твоему вниманию примере «всасывающее» действие разреженного воздуха демонстрируется в опыте с одноразовым стаканом, частично заполненном водой. Для опыта понадобятся: пластинка из оргстекла, одноразовый стакан с водой, салфетка бумажная.

1. Накрой стакан с водой вчетверо сложенной бумажной салфеткой. 2. Прижми салфетку к горловине стакана кусочком стекла или небольшим зеркальцем (рис. а). 3. Переверни стакан и поставь его на стол. Салфетка быстро пропитается водой, и, следовательно, воздух в стакане займет немного больший объем, чем он занимал до этого. Это приведет к тому, что воздух в пространстве над водой станет разреженным. (Обрати внимание на роль салфетки в этом опыте, она играет роль не только поглотителя воды, но и уплотнителя) (рис. б). 4. Переверни стакан так, чтобы вода из него не выливалась. Убедись, что придерживать рукой зеркальце в этом случае совсем не нужно. Оказывается, зеркальце прочно «приклеилось» к стакану. «Всасывающее» действие разреженного воздуха в стакане оказывается настолько сильным, что вода из перевернутого стакана не выливается, а зеркальце теперь выполняет роль второго дна в стакане (рис. в).

рис. б

рис. а

рис. в

67


УПраВЛение даВЛением ВоЗдУХа 10.5 раЗноСтЬ даВЛениЙ Ниже предлагается еще один вариант опыта с медицинским шприцом, демонстрирующим разность давлений воздуха на границе, разделяющей воздух в разных состояниях. Для опыта понадобятся: шприц медицинский 20 мл, маленький стеклянный флакон, пенопластовый шарик вместо пробки.

1. Закрой флакон с воздухом при атмосферном давлении пробкой и помести его внутрь корпуса шприца, из которого предварительно извлечен поршень. 2. Вводи поршень в корпус шприца до тех пор, пока он не соприкоснется с флаконом. При этом объем воздуха, омывающего флакон, станет минимально возможным. 3. Закрой выходное отверстие шприца. Для этого можно использовать, как ты уже знаешь пластилин или заостренную спичку. 4. Попытайся вытащить поршень, удерживая шприц в одной руке. В результате воздух в шприце разреживается, его давление становится меньше атмосферного, и это приводит к желаемому результату. Пробка выстреливает!

10.6 Фонтан В Банке Твоему вниманию предлагается еще один опыт на разность давлений. Для опыта понадобятся: банка стеклянная вместимостью 3 л, флакон, пластмассовая трубочка, несколько газет, бумажная салфетка, спички.

1. Возьми небольшой флакон с плотно входящей в него пробкой. 2. В пробку вставь тонкую стеклянную или пластмассовую трубочку. Длина трубочки должна быть такой, чтобы с одной стороны она доходила почти до дна флакона, а с другой — немного выступала за его пределы. 3. Налей во флакон воды примерно на 2/3 его высоты, плотно закупорь и поставь на стопку лежащих на столе газет, пропитанных водой. 4. Возьми стеклянную банку вместимостью 3 л и брось в нее горящую салфетку, чтобы нагреть воздух внутри банки. 68


УПраВЛение даВЛением ВоЗдУХа 5. Накрой флакон банкой, плотно прижав ее горловину к мокрой бумаге. Через некоторое время ты увидишь, как из вставленной в пробку трубочки брызнет фонтанчик. В чем здесь физика? Объяснение довольно простое, тебе знакомое. Когда банка начнет остывать, давление воздуха внутри флакона окажется большим, чем в банке. Воздух во флаконе надавит на воду — и она через трубочку ударит вверх.

10.7 ФиЗиЧеСкиЙ аСПект деЙСтВия медиЦинСкиХ Банок Известно, что при лечении некоторых простудных заболеваний врачи рекомендуют «ставить» больному банки. Такая процедура способствует улучшению кровообращения со всеми вытекающими отсюда последствиями. Не вдаваясь в медицинский аспект проблемы, обратим внимание на физический. как удерживаются банки на теле больного. Для объяснения вышеупомянутого факта поставим модельный опыт. В качестве модели кожи человека будем использовать оболочку надутого воздушного шара. В качестве модели медицинской банки можно использовать любую стеклянную банку небольших размеров, например из-под майонеза. Для опыта понадобятся: воздушный шар, банка стеклянная, салфетка, спички.

1. Прогрей полость банки с помощью зажженного факела. В результате нагретый воздух, расширяясь, выходит из банки. 2. Приложи банку к шарику. Резиновая мембрана втягивается внутрь банки. В чем здесь физика? Оставшийся в банке после прогрева воздух остывает, его давление уменьшается, становится ниже атмосферного. Из-за возникшей разности в давлении по обе стороны мембраны и происходит ее втягивание внутрь банки. Аналогичным образом ведет себя и кожа человека.

69


УПраВЛение даВЛением ВоЗдУХа 10.8 «тУннеЛироВание» ВоЗдУШноГо Шарика ВнУтрЬ СтекЛянноЙ Банки Ниже обсуждается простой занимательный опыт, который можно достаточно легко выполнить и в домашних условиях, и на уроке в школе. Суть решаемой проблемы сводится к поиску простого способа проникновения воздушного шарика внутрь стеклянной банки при условии, что диаметр горловины банки значительно меньше диаметра шарика. Для опыта понадобятся: стеклянная банка вместимостью 3 л, воздушный шар. Что еще?

Если ты при выполнении предлагаемых в наборе опытов действительно нацелен на выяснение сути рассматриваемых физических явлений, то быстро сообразишь, что решение указанной проблемы фактически ничем не отличается от предложенных в опытах «Фонтан» или «Медицинская банка». Воспользуйся нашей подсказкой и доведи начатое дело до конца.

70


УПраВЛение даВЛением ВоЗдУХа 10.9 маГдеБУрГСкие ПоЛУШария В 1654 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике продемонстрировал опыт, который теперь во всем мире называют опытом с магдебургскими полушариями. Суть опыта состояла в следующем. С помощью изобретенного им воздушного насоса Герике выкачал почти весь воздух, содержащийся в плотно сложенных медных полушариях, имевших диаметр около 0,65 м. Чтобы оторвать теперь полушария одно от другого, в каждое из них пришлось запрячь по восемь сильных лошадей. Этим опытом было убедительно показано, что воздух представляет собою вещество, которое способно оказывать сильное давление. Такой опыт с помощью простых подручных средств можно выполнить и в домашних условиях. Для опыта понадобятся: два одинаковых стеклянных сосуда вместимостью 250 мл каждый, огарок свечи, бумага и ножницы. Сосуды (баночки) используются вместо магдебургских полушарий.

1. Вырежи из бумаги 5-7 одинаковых колец, внешний диаметр которых на 2-3 мм больше, чем внешний диаметр горловины баночки, а внутренний диаметр, наоборот, на 2-3 мм меньше внутреннего диаметра горловины. Сложи вырезанные кольца в виде стопки. Эта многослойная бумажная конструкция выполняет функцию эластичной прокладки-уплотнителя. 2. Прикрепи свечу ко дну одной из баночек и подожги ее. 3. Увлажни прокладку-уплотнитель и помести ее на открытом торце баночки со свечой. 4. Поставь на эту прокладку горловиной вниз вторую баночку и прижми ее к бумаге так, чтобы внутреннее пространство обоих сосудов оказалось изолированным от внешнего воздуха. 5. Свеча из-за сгорания кислорода вскоре тухнет. Теперь, взявшись рукой за верхний сосуд, подними его. Опыт показывает, что поднимаются оба сосуда сразу — нижний как бы прилипает к верхнему. В чем здесь физика? Дело в том, что пламя свечи нагревает воздух, содержавшийся в нижнем сосуде. Нагретый воздух, как известно, расширяется. Его плотность уменьшается. По этой причине часть воздуха выходит из стакана. При медленном сближении сосудов часть воздуха, содержавшегося в верхнем сосуде, также успевает нагреться и выходит наружу. Следовательно, когда оба сосуда оказываются плотно прижатыми друг к другу, в них имеется меньше воздуха, чем было до начала опыта. После остывания пространство внутри сосуда оказывается разреженным. Давление же воздуха снаружи остается неизменным. По этой причине атмосферное давление сдавливает сосуды. Когда поднимают верхний сосуд, то и нижний поднимается вместе с ним. Разумеется, предложенный модельный опыт воспроизводит не все, а лишь существенные детали оригинального опыта (зато не надо искать 16 лошадей).

71


XI. тЕПЛОта касаясь рукой различных предметов, мы испытываем особые ощущения, которые обозначаются словами: холод, тепло, жар. ряд подобных ощущений может вызвать у нас одно и то же тело, которое будет подвержено нагреванию или охлаждению. Причина ощущений тепла и холода называется теплотою, а степень нагретости тела — температурой. Сообщение телу теплоты нагреванием или изъятие ее охлаждением производят в телах, кроме изменения температуры, еще изменения объема и состояния. При нагревании тела увеличиваются в объеме, при охлаждении — уменьшаются; вместе с тем изменяется и их плотность. Выполняя опыты из этого раздела, ты получишь самые первые представления о некоторых тепловых явлениях.

11.1 иЗменение оБЪема теЛ При иХ наГреВании и оХЛаждении Тебе приходилось, наверное, слышать, что все тела при изменении температуры изменяют свои размеры: при нагревании обычно расширяются, а при охлаждении — сжимаются. Давай проделаем соответствующие опыты и убедимся в этом сами. Для опытов понадобятся: металлическая банка из-под кофе, воздушный шарик или медицинская перчатка, прозрачный флакон с резиновой пробкой, прозрачная трубочка из стекла или пластмассовая трубочка, пластмассовая крышка для закупоривания банок. опыты с водой

В процессе экспериментирования будем наблюдать за изменением объема воды во флаконе при ее нагревании и охлаждении. 1. Сделай в пробке флакона отверстие под имеющуюся трубочку. 2. Наполни флакон до краев водой и закупорь его пробкой со вставленной в нее трубочкой. Вода зайдет в трубочку и займет некоторое положение, которое следует отметить, например, маркером. 3. Помести флакон в сосуд с горячей водой. Убедись, что при нагревании уровень воды в трубочке поднимается. Опыт свидетельствует, что вода, находящаяся во флаконе, при нагревании увеличивается в объеме. 4. Извлеки флакон из горячей воды. Он будет остывать вместе с находящейся в нем жидкостью. По мере остывания будет опускаться и уровень воды в трубочке, что свидетельствует о том, что объем воды во флаконе уменьшается. Уменьшение объема воды при ее охлаждении будет заметно и в том случае, когда флакон, наполненный водой при комнатной температуре, будет помещен в сосуд с водой, взятой из холодильника.

72


теПЛота

опыты с воздухом

В предлагаемых опытах проводится наблюдение за изменением объема воздуха, заключенного внутри металлической банки, закупоренной резиновой мембраной. Мембраной служит лоскут воздушного шара или медицинской перчатки. 1. Необходимо обратить внимание, что воздух, заполняющий банку, и воздух вне ее находятся в совершенно одинаковых состояниях. Поэтому резиновая пленка, натянутая на банку, вначале и «не обнаруживает» никаких различий в состоянии воздуха внутри банки и вне ее. 2. Обхвати банку ладонями и подержи ее так 1–2 мин. Резиновая оболочка при этом незначительно прогнется. Причина — нагрев банки, а значит и находящегося в ней воздуха, руками. 3. Помести банку в горячую воду. Убедись, что отмеченный выше эффект «выгибания» мембраны станет более выразительным. Воздух в банке в этом случае нагревается больше, чем в случае, если банку нагревать ладонями. Если такую банку, закрытую резиновой оболочкой, поместить в холодную воду, то мембрана будет прогибаться в обратную сторону. Вывод: воздух, находящийся в банке, при нагревании расширяется, а при охлаждении — сжимается. Обратите внимание на то, что эти свойства воздуха в данном опыте были обнаружены с помощью дополнительного средства — резинки-индикатора. опыты с твердым телом

Предлагается в качестве твердого тела использовать пластмассовую крышку, которую используют для закупоривания банок. Что обычно делает твоя мама, если ей не удается снять крышку с извлеченной из холодильника банки? «Упрямую» крышку в таком случае поливают горячей водой. Крышка нагревается, увеличивается в размерах и легко снимается. Вывод совпадает в принципе с предыдущими: твердые тела при нагревании, как правило, расширяются, а при охлаждении — сжимаются.

73


теПЛота 11.2 неУжеЛи, В Самом деЛе? Сейчас предстоит выполнить опыт, результат которого для тебя окажется, как нам представляется, совершенно неожиданным. Для опыта понадобятся: плотная бумага, ножницы, клей, вода, плита газовая либо электрическая.

Тебе предлагается нагреть воду, используя для этой цели бумажную кастрюлю. «Но ведь бумага загорится, и вода зальет огонь», — скажешь ты. Попробуй все-таки проделать опыт. 1. Склей из бумаги сосуд для хранения воды. Используй для этой цели заготовку из набора. 2. Наполни сосуд водой на 2/3 его объема и помести его на работающую плиту. Ты убедишься, что бумага никак не пострадает от огня. В чем здесь физика? Все дело в том, что вода может быть нагрета в открытом сосуде только до температуры кипения, т. е. до 100°С. Поэтому нагреваемая вода, обладающая к тому же большой теплоемкостью, поглощая избыток теплоты бумаги, не дает ей нагреться заметно выше, т. е. настолько, чтобы она могла воспламениться. Бумага не загорается, если даже пламя «лижет» ее. опыт выполняется в присутствии взрослых!

11.3 на Лед иЛи Под Лед? Кто не любит в жаркий летний день выпить бокал холодного кваса? Вот только вопрос, как быстрее охладить квас, если у тебя есть лед. Люди несведущие в физике отвечают, точнее, поступают обычно так: ставят кувшин с квасом на лед. Чего не скажешь об образованных физиках. Они утверждают, что нагревать надо действительно снизу, а остужать сверху. Кто прав? Давайте искать ответ вместе. И первое, что мы сделаем, это проведем опыт. Для опыта понадобятся: две миски, лед, два бокала с квасом (или водой).

1. Возьми две одинаковые миски и одинаково загрузи их льдом. 2. После этого поставь один бокал с квасом в миску со льдом, а другой бокал накрой миской со льдом. Опыт показывает, что «верхнее охлаждение» намного эффективнее, чем «нижнее». В чем здесь физика? Ты знаешь, что холодное вещество плотнее теплого; холодный напиток плотнее неохлажденного. Когда ты кладешь лед поверх бокала с  квасом, верхние слои напитка (прилегающие ко льду), охладившись и сделавшись оттого тяжелее, опускаются вниз; на их место подтекают другие, еще не охлажденные, порции кваса, охлаждаются льдом и, в свою очередь, опускаются. В короткий срок весь квас в бокале побывает в соседстве со льдом и охладится. Дру74


теПЛота гое дело, если вы ставишь напиток не под лед, а поверх льда. Тогда, прежде всего, охлаждается самый нижний слой напит��а; он делается плотнее и остается на дне, не уступая места остальным теплым слоям. Никакого перемешивания жидкости в этом случае не происходит, и оттого она охлаждается очень медленно. Не одни только напитки выгодно охлаждать сверху: мясо, овощи, рыбу надо для охлаждения тоже класть под лед, а не поверх льда. Ведь они охлаждаются не столько самим льдом, сколько остуженным воздухом; холодный же воздух течет вниз, а не вверх.

11.4 ШиВорот–наВЫВорот Как ты относишься к утверждению, будто шуба нисколько не греет? Тебя одолевают сомнения? В такой ситуации, чтобы не теряться в догадках, лучше обратиться к опыту. Проделай, например, такой опыт. Для опыта понадобятся: шуба или пальто, миска со льдом, термометр, две одинаковые чашки.

1. Заметь, сколько градусов показывает твой домашний термометр, и закутай его в шубу. 2. Извлеки его через несколько часов. Ты убедился, что показания прибора не изменились. Вот и доказательство, что шуба не греет. Может шуба, наоборот, холодит? В таком случае опять обратимся к опыту. 3. Возьми две одинаковые чашки, одинаково заполненные льдом. 4. Одну закутай в шубу, другую оставь в комнате на столе. Когда лед на столе растает, разверни шубу: ты увидишь, что здесь он почти и не начинал таять. Значит, шуба не только не согрела лед, но как будто даже охлаждала его, замедляя таяние! В чем здесь физика? Шубы действительно не греют, если под словом «греть» понимать сообщение теплоты. Лампа греет, печка греет, человеческое тело греет, потому что все эти предметы являются источниками теплоты. Но шуба в этом смысле слова нисколько не греет. Она своего тепла не дает, а только препятствует теплоте нашего тела уходить от него. Вот почему теплокровное животное, тело которого само является источником тепла, будет чувствовать себя в шубе теплее, чем без нее. Но термометр не порождает собственное тепло, и его температура не изменится от того, что мы закутаем его в шубу. Лед, обернутый в шубу, дольше сохраняет свою низкую температуру, потому что шуба — весьма плохой проводник теплоты — замедляет доступ к нему тепла извне, от комнатного воздуха. Можно сказать, что шуба — это своеобразный термос. Итак, на вопрос, греет ли вас шуба, надо ответить, что шуба только помогает нам греть самих себя. Вернее было бы говорить, что мы греем шубу, а не она нас.

75


теПЛота 11.5 теПЛоВая карУСеЛЬ Передачу теплоты путем перемещения слоев газообразного или жидкого вещества называют конвекцией. Это явление имеет большое распространение на практике. Например, при центральном водяном отоплении нагреваемые снизу частицы воды вытесняются вверх более тяжелыми холодными частями. Происходит непрерывная циркуляция воды, в результате чего прогреваются трубы, нагревающие помещение. Познакомимся с рассматриваемым явлением на примере конвекции воздуха. Для опыта понадобятся: бумага, ножницы, настольная лампа.

1. Возьми в наборе заготовки мельницы и змейки. 2. Сделай соответствующие разрезы. 3. Готовые изделия подержи над работающей газовой плитой или над включенной электролампой. Теперь ты понимаешь, почему опыты названы «тепловая карусель»?

11.6 ЧУдеСа БеЗ ЧУдеС Ты должен согласиться, что опыты, представленные в наборе, несмотря на простоту используемого оборудования в большинстве своем интересные и полезные. Ты получил ответы на целый ряд интересовавших тебя вопросов. И это хорошо. Но гораздо важнее, если у тебя возникло много новых вопросов, на которые предстоит найти ответы. В таком случае дерзай. Ты на правильном пути. Сейчас тебе предстоит решить экспериментальную задачу, которая формулируется так: предложи способ, с помощью которого можно вытащить из стакана плавающий в нем кубик льда, не замочив при этом рук. Для опыта понадобятся: стакан с водой, кубик льда, катушка с нитками и солонка с солью.

Решая эту задачу, поступают следующим образом. 1. Вначале кубик льда опускают в воду. 2. Затем кладут нитку на край стакана так, чтобы она одним своим концом лежала на поверхности льда. 3. После этого насыпают на поверхность льда щепотку соли. 4. Выждав одну-две минуты, берут нитку за ее свободный конец и вытаскивают кубик льда. Практика показывает, что этот опыт вызывает удивление как у юных физиков, так и у взрослых людей. Трудно представить, как за такое ограниченное время нитка примерзает ко льду. В чем здесь физика? Вероятный ход событий такой. Известно, что смесь льда и кухонной соли замерзает при более низкой температуре, чем 00 С. Из этого следует, что соль слегка подтапливает небольшой участок льда. В течение 2–3 минут соль растворяется в воде, а чистая вода на поверхности льда примораживается вместе с нитью. Вопрос. Понравилась ли тебе экспериментальная задача? 76


XII. эЛЕмЕнтЫ мЕХанИкИ В этом разделе собраны простые опыты, которые по своему содержанию так или иначе восходят к проблемам механики.

12.1 коЛПаЧок В БУтЫЛке Для опыта понадобятся: картонная полоса, ножницы, колпачок от шариковой ручки, бутылка с широким горлышком.

Хочешь увидеть закон инерции, один из основных законов механики, в действии? 1. Установи кольцо на горлышко бутылки, а сверху, точно напротив отверстия горлышка, поставь колпачок. 2. Продень в кольцо линейку и ударь ею по кольцу. Если ты это сделаешь достаточно быстро, резко, то кольцо отлетит в сторону, а колпачок окажется на дне бутылки. В противном случае колпачок упадет на стол. В чем здесь физика. При быстром перемещении кольца его движение не успевает передаться колпачку, и тот, согласно закону инерции, сохраняет состояние покоя, т.е. остается на месте. Но утратив при этом опору, колпачок падает вниз по отвесной траектории. В случае медленного перемещения кольца колпачок «почувствует» это движение. В результате его траектория изменится и вовнутрь бутылки он не попадет. Вопросы. Как ты считаешь, зависят ли результаты проделанных опытов от массы колпачка? Предложи способ экспериментальной проверки собственных утверждений. Приходилось ли тебе наблюдать проявления закона инерции в повседневной жизни? В чем суть этих проявлений?

12.2 как можно оБнарУжитЬ СиЛУ атмоСФерноГо даВЛения Предлагается усовершенствованный вариант хорошо известного опыта, который позволяет разобраться в происхождении силы атмосферного давления. Для опыта понадобятся: ученические линейки длиной 30 см (деревянная и алюминиевая), газета.

1. Вначале деревянную линейку кладут на край стола так, чтобы один ее конец длиной 7–8 см выступал за габариты стола. 2. После этого линейку ударяют по ее свисающей части. Результат нетрудно предсказать — линейка подпрыгивает и падает на пол. 3. Затем линейку вновь располагают на краю стола, как и в предыдущем случае, только на этот раз часть линейки, расположенную непосредственно на столе, накрывают развернутым газетным листом. 4. Поведение линейки, накрытой газетой, после аналогичного удара для многих оказывается неожиданным. Линейка лишь немного приподнимает газету, но сама при этом остается на столе. 77


ЭЛементЫ меХаники В чем здесь физика? Анализ причин, обусловливающих различие в поведении линейки в двух рассмотренных случаях, обнаруживает различие в силе атмосферного давления, которая прижимает линейку к столу. В первом опыте эта сила пропорциональна площади поверхности лежащей на столе части линейки. Во втором — эта сила определяется площадью поверхности лежащего на линейке газетного листа. Чем больше площадь поверхности листа, тем больше сила, которая прижимает к столу линейку. Задание. Проанализируй еще раз результаты выполненных тобою опытов. Все ли ты понял? Во всем ли разобрался? Если да, то продолжи эту серию опытов, заменив жесткую деревянную линейку на легко изгибаемую алюминиевую. Экспериментируя с алюминиевой линейкой, ты обнаружишь связь между углом изгиба линейки и площадью поверхности газетного листа.

12.3 трение В рУкаХ Под трением принято понимать процесс взаимодействия между телами при их относительном перемещении. В данном конкретном опыте речь идет о сравнении сил трения между монетой и кожей ладони руки, с одной стороны, и силы трения между той же монетой и набивкой платяной щетки, с другой. Для опыта понадобятся: 5-копеечная монета, щетка платяная и собственная ладонь.

На ладонь положи монету и попытайся платяной щеткой (держа ее горизонтально) скинуть монету с ладони. Практика показывает, что скинуть ее не удается. Этот опыт подтверждает, что сила трения между рукой и монетой намного больше, чем сила трения между набивкой щетки и монетой.

12.4 жеСткоСтЬ конСтрУкЦии Строители при создании новых сооружений традиционно немало времени уделяют вопросу прочности применяемых конструкций. Здесь им на помощь приходят знания в области физики, без которых сложно или просто невозможно принять верное решение. Предлагаемый ниже опыт поможет тебе представить в общих чертах суть существующей проблемы. Для опыта понадобятся: две одинаковые жестяные банки, лист бумаги формата А4, пустая стеклянная банка.

1. Поставим банки на расстоянии приблизительно 25 см друг от друга. 2. Поместим сверху лист бумаги так, чтобы получился модельный «мостик».

78


ЭЛементЫ меХаники 3. Поставим на мостик груз. Мостик, при таких конструкционных элементах, не выдерживает веса груза и прогибается вниз. Возникает физическая задача об упрочнении листа бумаги. Ее решение приводит к необходимости придания листу бумаги ребристой структуры. 4. Кладем образовавшуюся бумажную «гармошку» на опоры и сверху вновь располагаем груз. Гармошка не прогибается! Значит, задача решена верно.

12.5 СамоУраВноВеШиВаЮЩаяСя ПаЛка Предлагаемый опыт поможет тебе лучше разобраться в таких физических понятиях, как трение, центр тяжести и равновесие тел. Для опыта понадобятся: гладкая палка, трость, швабра.

1. На указательные пальцы расставленных рук положи гладкую палку. 2. Теперь двигай пальцы навстречу друг другу, пока они сойдутся вплотную. Странная вещь! Оказывается, в этом окончательном положении палка не опрокидывается, а сохраняет равновесие. 3. Повтори опыт еще несколько раз, каждый раз изменяя первоначальное положение пальцев по отношению к палке, но конечный результат неизменно тот же: палка оказывается уравновешенной. Не изменяет дело замена палки другими протяженными предметами: чертежной линейкой, тростью с набалдашником, бильярдным кием, половой щеткой. В чем здесь физика? Почему? Как? По какой причине такое происходит? Прежде всего, понятно следующее: раз палка оказывается уравновешенной на примкнутых пальцах, то ясно, что пальцы сошлись под центром тяжести палки (тело остается в равновесии, если отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит внутри границ опоры). Когда пальцы раздвинуты, большая нагрузка приходится на тот палец, который ближе к центру тяжести палки. С давлением растет и трение; палец, более близкий к центру тяжести, испытывает большее трение, чем удаленный. Поэтому близкий к центру тяжести палец не скользит под палкой; двигается всегда лишь тот палец, который дальше от этой точки. Как только двигавшийся палец окажется ближе к центру тяжести, нежели другой, пальцы меняются ролями; такой обмен совершается несколько раз, пока пальцы не сойдутся вплотную. И так как движется каждый раз только один из пальцев, именно тот, который дальше от центра тяжести, то естественно, что в конечном положении оба пальца сходятся под центром тяжести палки.

79


XIII. эЛЕмЕнтЫ мОЛЕкуЛЯРнОЙ фИЗИкИ молекулярная физика — раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел на основе рассмотрения их молекулярного строения. круг вопросов, охватываемых молекулярной физикой, очень широк. В ней рассматриваются: строение вещества и его изменение под влиянием внешних факторов (давления, температуры), явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкость), фазовое равновесие и процессы фазовых переходов (кристаллизация, плавление, испарение, конденсация), критическое состояние вещества, поверхностные явления на границах раздела фаз.

13.1 СраВнение интенСиВноСти теПЛоВоГо дВижения моЛекУЛ ВодЫ При раЗнЫХ темПератУраХ Связь скорости движения молекул воды с температурой этой воды обычно демонстрируется в известном опыте по растворению пищевого красителя в холодной и горячей воде. Тебе предлагается выполнить другой вариант опыта, подтверждающего зависимость скорости движения молекул воды от температуры. Для опыта понадобятся: пластиковые прозрачные стаканчики, булавка и вода холодная и горячая.

1. Проколи булавкой в середине донышек двух маленьких стаканчиков отверстия одинакового диаметра. 2. Вставь стаканчики в сосуды немного большего диаметра так, чтобы между донышком стаканчика и дном сосуда был заметный зазор. 3. Налей в один из стаканчиков очень холодную воду, в другой, соответственно, горячую. Разумеется, вода наливается в равных количествах. 4. Пронаблюдай, как капает вода в одном и другом случаях. В чем здесь физика? Опыт показывает, что горячая вода капает заметно быстрее, чем холодная. Если температура холодной воды достаточно низкая, то при определенном диаметре отверстия такая вода может совсем не капать. Чем быстрее движутся молекулы, тем легче им проскользнуть друг относительно друга. Вот почему горячая вода капает интенсивнее, чем холодная.

13.2 жиВоЙ ЦВеток иЗ БУмаГи Не кажется ли тебе, что уже в самом названии опыта имеется противоречие? Если цветок бумажный, то как он может быть живым? А  если цветок живой, то он не может быть бумажным. Может быть, проделанный опыт снимет такое противоречие. Для опыта понадобятся: несколько листов тетрадной бумаги, калька, фломастеры, тазик с водой.

1. Вырежи по выкройке цветок из обычной бумаги и раскрась его цветными фломастерами. 2. Приведи цветок в исходное состояние: цветок закрывают, сгибая соответствующим образом его лепестки. 80


ЭЛементЫ моЛекУЛярноЙ ФиЗики 3. Опусти цветок на поверхность воды так, чтобы он плавал на донышке. 4. Понаблюдай за поведением цветка из бумаги на воде. Через некоторое небольшое время бумажный цветок начинает «оживать». Его лепестки медленно раскрываются. В чем здесь физика? Поведение цветка можно объяснить, пользуясь знанием некоторых физических явлений. Дело в том, что бумага, из которой сделан цветок, пористая. Поры представляют собою капилляры — тонкие пустотелые трубочки, образованные волокнами целлюлозы. Вода смачивает бумагу и поэтому всасывается в эти капилляры. Продвижение воды по капиллярам способствует устранению изгибов в бумаге, лепестки цветка распрямляются. Происходящее преобразование цветков напоминает распрямление шланга под напором поступающей в него воды. Задание 1. Исследуй, одинаковое ли потребуется время на распрямление одинаковых по форме цветков, изготовленных из разных сортов бумаги (бумага из тетради, бумага из альбома для рисования, газетная бумага, бумага для принтера). Постарайся объяснить полученные результаты. Задание 2. Попробуй сделать цветок из бумаги под названием «калька». Какие особенности в поведении кальки тебе удалось обнаружить?

13.3 ПоГЛотитеЛЬ ЗаПаХа Задумывался ли ты когда-нибудь о природе запахов? Как они возникают? Как распространяются? Имеются ли физические приборы, которые эти запахи различают? Одни запахи человеку нравятся, другие — не очень, третьи — просто раздражают. Как избавиться от неприятных запахов? Предлагаемый ниже опыт предоставляет возможность познакомиться с одним из известных способов очистки воздуха от вредных для здоровья человека носителей запаха. Для опыта понадобятся: банка из-под кофе, активированный уголь в таблетках.

1. Возьми баночку, в которой еще недавно хранилось кофе (с характерным запахом кофе). 2. Положи в нее измельченную таблетку активированного угля и плотно закрой крышкой. 3. Открой крышку спустя 5-10 минут. Убедись, что, открыв банку, ты не чувствуешь запаха кофе. В чем здесь физика? Упомянутый выше способ называется адсорбцией, а вещества, используемые с указанной целью, называются адсорбентами. Под адсорбцией обычно понимают поглощение примеси из газа или жидкости твёрдым веществом — адсорбентом. Для того чтобы адсорбировать большое количество вещества, надо, очевидно, пользоваться телами, обладающими (при заданной массе) по возможности большой поверхностью, например пористыми или мелко раздробленными. Хорошими адсорбентами считаются уголь древесный, силикагель.

81


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. А ЧТО ЖЕ ДАЛЬШЕ? Пришла пора подводить первые итоги. Вместо традиционных в подобных случаях слов «вот и перевернута последняя страница книги», скажем: вот и выполнен последний опыт из числа рекомендованных в наборе «Юный физик». Какая разница, скажешь ты, ведь суть одна и та же. Позволим с тобой не согласиться. Новые для себя знания ты приобрел не в результате чтения учебника, а в процессе самостоятельного выполнения экспериментов. Другими словами, ты добывал новые для себя знания по физике не пошколярски, а как настоящий физик-исследователь. В этом и состоит, пожалуй, главный итог твоего взаимодействия с набором. А что дальше? Дальше школьная физика, затем вузовская, затем работа по избранной специальности. И кем бы ты не стал, физиком или лириком, всегда старайся быть в хорошей «физической» форме, развивай и совершенствуй в себе лучшие качества исследователя, и это тебе пригодится в реальной жизни. Дальнейших тебе успехов, наш юный коллега!

82


для Заметкок


для Заметкок


0325 Набор "Юный физик" - методичка