Geum.ru

Светлолобова Елена Михайловна

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
  1. Светлолобова Елена Михайловна.
  2. Муниципальное образовательное учреждение «Гимназия №1».
  3. 665729, Иркутская обл., г. Братск, Космонавтов 9; тел. 8-3953-436282.
  4. Учитель-руководитель исследования – Феденёва Наталья Владимировна, сетевой координатор – Маслова Екатерина Владимировна.
  5. Физика и быт.
  6. Опыты в домашних условиях.

Введение

В своей работе я хочу показать степень овладения учебным материалом по физике, а так же раскрыть вопросы взаимосвязи физики и бытовых условий.

Проведу опыты (со стробоскопом, с камерой – обскурой, водяным насосом, зеркалом и др. предметами) пронаблюдав, постараюсь доказать себе и окружающим как происходят явления и действуют законы физики в бытовых условиях с использованием подручных средств.



Опыты со стробоскопом.

Из-за инерции нашего зрения, а она проявляется в том, что зрительное ощущение сохраняется в течение нескольких долей секунды, мы не можем заметить отдельные положения быстро вращающегося или колеблющегося тела. Здесь может помочь либо скоростная киносъемка, либо стробоскоп. Название этого прибора составлено из двух греческих слов: «стробос» - «вращение» и «скоп» - «наблюдение» - и полностью соответствует его назначению.

Стробоскоп стал верно служить физикам с первой половины XIX в., сам стробоскопический эффект был известен ученым гораздо раньше. Он состоит в следующем. Будем освещать вращающееся или колеблющееся тело не непрерывно, а отдельными короткими вспышками. Частоту этих вспышек можно подобрать так, что мы будем видеть тело в одном и том же положении. Это происходит, когда период вращения тела совпадает с промежутком времени между вспышками. При достаточно большой частоте вращения тела (и вспышек стробоскопа) глаз будет постоянно сохранять это зрительное ощущение за время между вспышками, и мы как бы «остановим» тело. Когда же частота вспышек стробоскопа немного отличается от частоты вращения тела, то мы будем видеть тело в несколько смещенном положении по отношению к положению в момент предыдущей вспышки. Сливаясь вместе, отдельные изображения дадут замедленную картину движения.

Со стробоскопом можно провести дома много интересных опытов, а сделать его относительно просто. Нужно иметь яркий источник света, дающий параллельный пучок, например фонарь или диапроектор. Перед объективом диапроектора устанавливается картонный диск с прорезами (диаметр диска 30-40 см, диаметр отверстий соответствует размеру объектива, число их 10÷20). Диск надо укрепить на оси электрического моторчика, применяемого для различных игрушек и моделей.

Первые опыты можно провести с вентилятором или пластинкой на проигрывателе. Направив свет на вентилятор и подобрав нужную частоту вспышек, «останавливают» вентилятор или «заставляют» его медленно вращаться (можно в обратную сторону).

Очень интересно рассмотреть в свете стробоскопа особенности водяной струи из водопроводного крана. Мы увидим, что в конце своего падения она под действием сил поверхностного напряжения разбивается на отдельные капли. А в обычном свете струйка кажется непрерывной, поскольку инерционность зрения создает иллюзию слияния этих капель. Открыв кран полностью, можно наблюдать на поверхности сильной струи образование причудливых выступов и впадин.

Перейдем теперь к экспериментам с волнами на плоской поверхности воды. Небольшие волны, распространяющиеся по ней, - рябь – своим происхождением обязаны поверхностному натяжению. Они носят название капиллярных волн. Для того чтобы возбудить их, можно вставить в водопроводный кран спичку, чуть-чуть приоткрыть его и оставить под частые капли тарелку с водой. Капиллярные волны быстро разбегаются по поверхности, и только с помощью стробоскопа удается хорошо их рассмотреть. Если положить в тарелку различные предметы, то можно видеть, как волны отражаются и огибают их.

Часто для возбуждения поверхностных волн применяют различные вибраторы. Такой вибратор можно сделать из обычного электрического звонка. К молоточку звонка припаивают проволочку с надетой на конец маленькой резиновой пробкой и устанавливают звонок Тае, чтобы пробка касалась поверхности воды. Подключив звонок к сети (с соблюдением всех правил техники безопасности и, главное, хорошо заизолировав токоведущие части), мы получим расходящиеся волны, структура которых ясно видна при стробоскопическом освещении. Теперь вместо резиновой пробки укрепим на конце проволоки вилку с двумя концами, расстояние между которыми составляет несколько сантиметров. На конце вилки наденем резиновые пробочки. После включения звонка на поверхности воды возникают интерференционная картина от двух излучателей.


Камера – обскура.

Такая камера была известна еще итальянскому ученому и художнику эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Принцип ее устройства очень прост: лучи света, отраженные от объекта, проходят сквозь малое отверстие в закрытом ящике и попадают на противоположную стенку – экран. На экране получают перевернутое уменьшенное изображение (см. рис.).

Сделать камеру тоже несложно. В деревянном или картонном ящике выпиливают одну стенку и укрепляют внутри матовое стекло или полупрозрачную бумагу (кальку). Напротив экрана проделывают малое отверстие. Теперь если поставить в нескольких метрах перед отверстием лампу с абажуром (яркий объект), то на матовом стекле вы увидите ее перевернутое изображение. С уменьшением размера отверстия будет увеличиваться резкость изображения и одновременно падать его яркость. Существует еще одна причина, по которой отверстие нельзя сделать очень малым,- этому помещает явление дифракции света. Оптимальный диаметр отверстия при расстоянии от него до стекла 10 см составляет 0,5 мм. Но можно взять и 1 мм, т.е. проткнуть стенку ящика обычной иглой.

Камера-обскура позволяет нарисовать освещенный объект в уменьшенном масштабе. Собственно, для этого она и использовалась первоначально. Но затем, после изобретения фотоматериалов, камера стала первым фотографическим аппаратом.

Если в темноте поместить вместо стекла фотопластинку, плотно закрыть или занавесить заднюю стенку ящика и осветить объект, можно получить достаточно резкий негатив. Важно только, чтобы камера не имела щелей. Выдержка будет очень долгой – десятки секунд, минуты, так что такой камерой можно фотографировать только неподвижные объекты.


Полное внутреннее отражение.

Для опыта нужен стеклянный аквариум или ящик из оргстекла и малорасходящийся пучок света. (Проще всего использовать диапроектор и диафрагмы.) Налейте до половины высоты аквариум водой, слегка подкрашенной чернилами, тушью или акварельной краской. Конечно, еще лучше воспользоваться какой-либо из флуоресцирующих красок. Узкий пучок света направьте так, чтобы он проходил вблизи поверхности воды под небольшим уклоном к горизонтали (первый рисунок). Если смотреть на аквариум сбоку, то будет виден светящийся след пучка – отрезок прямой линии.

Теперь приготовьте концентрированный раствор поваренной соли, профильтруйте его, чтобы он был прозрачным, и добавьте раствор того же красящего вещества, что и в воду. С помощью воронки, на конце которой укреплена резиновая трубка, опущенная на дно аквариума, медленно, не взбалтывая воду, доливайте в аквариум раствор соли.

В тот момент, когда аквариум почти наполнится и граница вода- раствор станет чуть выше точки вхождения луча, луч начнет изгибаться так, как это показано на втором рисунке.

Объяснение этого явления основывается на законе преломления света. Вода и солевой раствор имеют различные показатели преломления. У последнего он больше. В этом случае на границе жидкостей возможно явление полного внутреннего отражения. Но поскольку граница размыта из-за существующего всегда перемешивания растворов, луч отражается не под углом, а по дуге. Меняя угол падения луча на границу, вы можете определить угол полного внутреннего отражения и коэффициент преломления солевого раствора.


Падение давления в струе.

Многие опыты, объяснение которых основано на уравнении Бернулли, вероятно, знакомы вам.

Мячик для настольного тенниса, помещенный в вертикальную струю воздуха (чаще всего для этого используют пылесос, включенный таким образом, чтобы воздух «дул» из его трубки), парит в этой струе, вертится, колеблется, но не вылетает из нее. Это объясняется тем, что при смещении мячика на него начинают действовать силы давления со стороны окружающего воздуха, возвращающие его в область пониженного давления – в струю.

Если рядом с зажженной свечой поместить конец трубки так, как это показано на первом рисунке, и дуть в трубку, то пламя свечи смещается в сторону движущегося воздуха, втягивается в струю.

Наконец, если склеить из бумаги трубку диаметром 1 см и на конце ее приклеить круглую площадку (второй рисунок), то с помощью такой несложной конструкции можно поднять со стола лист бумаги.

Для этого надо поднести площадку к листу и подуть в трубку. Лист «прилипает» к площадке. (Важно только, чтобы поверхность стола была шероховатой.)


Водяной насос.

Еще одно применение подсасывающего действия струи – водяной насос.

Вода из трубки движется с большой скоростью через воздушный промежуток, увлекая за собой воздух. С помощью такого насоса можно получить довольно значительное разрежение. Обычно в школьном кабинете физики или химии есть стеклянный насос. Дома можно сделать комбинированный насос, используя для этого спаянный из жести кожух, резиновые пробки и металлические трубочки. Конструкцию предоставляем разработать вам. Надо только помнить, что все соединения должны быть герметичными. После пайки их можно промазать пластилином. Откачивая воздух, надо пользоваться трубками из толстой резины, иначе под действием атмосферного давления они сожмутся, и насос не сможет работать.

С помощью водяного насоса можно производить самые разные физические опыты, в которых требуется пониженное давление.


Вращающееся яйцо.

Существуют волчки самых причудливых форм и конструкций, поведение которых весьма интересно. Я опишу два таких волчка.

Первый – обычное крутое яйцо. Хорошо известно, что отличить крутое яйцо от вареного можно, завертев его. Из-за трения внутри сырого яйца оно быстро останавливается. Яйцо, сваренное вкрутую, может вращаться довольно долго. Если сильно завертеть такое яйцо на гладкой горизонтальной поверхности, оно поднимется вертикально и будет вращаться так, пока движение не замедлится.

Второй тип волчка называется волчком Томсона (по имени английского ученого, разработавшего ряд вопросов теории гироскопов). Его можно сделать самим, отрезав часть деревянного шарика и закрепив в центре сечения небольшую ножку. Приведя за ножку волчок во вращение, мы увидим, что он перевернется и будет вращаться в самом, казалось бы, неустойчивом положении – стоя на ножке. Такое поведение волчка связано с тем, что касаясь боком поверхности, он испытывает трение. Сила трения вызывает прецессию, пока волчок не перевернется в положение, при котором он вращается на остром конце (яйцо) либо стоя на ножке (волчок Томсона).


Дисковая сирена.

Генератор звуковых колебаний можно сделать, используя прерывание воздушной струи механическим затвором. Струю достаточной силы обеспечивает домашний пылесос, шланг которого оканчивается самодельным наконечником в виде сужающегося конуса. Кроме пылесоса для генератора необходим электромотор с высоким числом оборотов (например, от вентилятора) и диск из жести или плотного картона диаметром 30-50 см. В диски пробивают ряд отверстий, идущих равномерно по окружности, и закрепляют его на оси мотора. Поднося наконечник к отверстиям вращающегося диска, мы услышим звук определенной частоты ν=n·k, где n – число оборотов мотора в 1с, k – число дырок в стене. Пока сконструированное устройство – простая дисковая сирена, которую изобрел Томас Иоганн Зеебек, немецкий физик, прославившийся открытием термоэлектричества (1821).

Теперь можно приступить к усовершенствованию генератора.

Если поставить мотор, у которого регулируется число оборотов, то будут получаться звуки разной частоты. Для этой же цели можно на концентрических окружностях диска пробить различное число отверстий и смещать наконечник вдоль радиуса.

Если сделать восемь рядов отверстий с числом дырок 48,45,40,36,32,27 и 24, то мы получим тоны обыкновенной музыкальной гаммы. При четырех рядах с числом дырок 48,36,15,12 под струей воздуха прозвучит мажорный аккорд.

Наконец, можно использовать такие насадки на шланге пылесоса, которые имеют два и более отверстий, так что ан различные ряды дырок струи будут направлены одновременно. При опытах надо помнить, что

1) вращающимся диском можно поранить руку;

2) пылесос может перегреваться;

3) опыты не должны мешать работе и отдыху окружающих.


Интерференция в запыленном зеркале.

Если перед запыленным зеркалом зажечь свечу или фонарик, можно увидеть вокруг пламени (лампочки) радужную каемку. Она возникает из-за интерференции света, отраженного зеркалом, покрытым хаотически расположенными частицами пыли. Эти частицы образуют «дифракционную решетку». Такое явление сходно с появлением венцов – цветных концентрических окружностей, которые иногда окружают солнце или луну. Здесь роль пыли играют водяные капли в атмосфере.

Чтобы получить «постоянно действующее пыльное зеркало», нужно взять кусочек чистого стекла, например отмытую фотопластинку, нанести на него тонкий слой вазелина и равномерно посыпать порошком ликоподия (споры растения).

Наложив сверху такую же пластинку, посмотрим сквозь них на пламя свечи. Оно будет окружено цветной каймой из нескольких ободков.

Внутри каждого ободка – синий цвет, снаружи – красный.


Дифракция на щели.

Возьмем кусочек алюминиевой фольги и сделаем в нем бритвой разрез. Длина разреза 3-5 см. Если посмотреть одним глазом сквозь щель на матовую лампочку, держа фольгу недалеко от пола, то в щели будут видны темные вертикальные полосы.

Четкая – в центре и ряд боковых, более слабых.

Похожий опыт можно поставить вообще без всяких приспособлений – сжимая большой и указательный пальцы. Когда расстояние между ними станет совсем малым, мы увидим, как в щели возникаем черная полоска.


Долгоиграющая пластинка вместо призмы.

Теперь от опытов с одной щелью перейдем к экспериментам, в которых наблюдаются картины интерференции от многих щелей. Такое устройство со множеством щелей называется дифракционной решеткой. Сначала воспользуемся подручными средствами. Грубым приближением дифракционной решетки может служить долгоиграющая пластинка с бороздками, нанесенными приблизительно на расстояние d≈0.1 мм друг от друга. Для того чтобы приблизить эффективное значение периода решетки d’ к величине λ света, надо сделать так, чтобы луч света падал на пластинку под малым углом. Тогда, рассматривая глазом изображение луча или поставив на пути света экран, можно будет увидеть цветные полосы, окрашенные всеми цветами радуги. Это и есть явление интерференции.


Как сделать дифракционную решетку.

Изготовим ее фотоспособом. На большой лист ватмана нанесем черной тушью параллельные линии шириной 2-3 мм на расстоянии 2-3 мм друг от друга. Затем сфотографируем этот лист при ярком и равномерном освещении на расстоянии 5-6 мм.

После проявления негатив может служить дифракционной решеткой. Она будет содержать несколько штрихов на 1 мм, что вполне достаточно для первых экспериментов. Для ее проверки воспользуемся диапроектором. Поставим вместо диапозитива фольгу со щелью и сфокусируем изображение щели на экран. Поднеся к объективу дифракционную решетку, мы увидим по сторонам щели две полосы с цветами радуги. Перемещая решетку в сторону экрана, можно видеть спектры второго и третьего порядков.


Как звучит сухой лед?

К веществам, которые возгоняются, не плавясь, относится и твердый оксид углерода (IV) СО2, известный всем как сухой лед. Так как он затвердевает лишь при -78˚С, то с кусочками сухого льда надо обращаться осторожно, брать из только пинцетом, на всякий случай надев перчатки.

Нальем в кастрюлю холодной воды и поставим ее на твердое основание, лучше всего на кафельную плиту. А под кастрюлю положим кусочек сухого льда. Как только твердый оксид углерода окажется придавленным, раздастся резкий звук, похожий на визг.

Этот опыт объясняется так: зажатый между кафелем и дном кастрюли сухой лед возгоняется , и пары слегка приподнимают кастрюлю. Но давление тут же падает, кастрюля опускается, потом опять поднимается – и так несколько раз в секунду. Возникают колебания звуковой частоты, которые усиливаются резонатором – той же кастрюлей. Это звучит сухой лед.


Кипение газированной воды.

Для того, чтобы процесс кипения проходил спокойно, в сосуд с нагреваемым раствором обычно помещают кипелки – кусочки стеклянной трубки, мрамора и т.п. Несоблюдение этого правила может привести к тому, что жидкость перегреется и тогда случайно возникшая неоднородность вызовет бурное образование пара, а иногда маленький взрыв. Поэтому во время опытов с перегретой жидкостью лучше не рисковать, а воспользоваться моделью – обычной газированной водой. Эта вода насыщена углекислым газом, и образование в ней пузырьков СО2 аналогично образованию пузырьков пара.

Итак, нальем воду в стакан, подождем, пока не опадет пена и в воде будут подниматься только отдельные пузырьки, хотя жидкость все еще содержит достаточно много газа. Для того, чтобы ускорить его выход, надо образовать центры кипения, например, бросив в стакан щепотку сахарного песка. Эффекта кипения можно добиться, помешав воду. В этом случае образование пузырьков идет на неоднородностях, возникающих в жидкости.

Возьмем ягодку или кусочек шоколада и бросим в стакан. Достигнув дна, они обрастут образующимися на их поверхности пузырьками и всплывут. Пузырьки выходят в воздух, и кусочек шоколада снова опускается на дно. Иногда этот процесс всплывания и погружения проходит десятки раз.

Выходящие пузырьки выносят с собой и растворенные в жидкости другие газы. Это свойство часто используется в физике и технике, при этом газ, образующий пузырьки (газ-носитель), совсем необязательно СО2. Так, в опытах с солнечным нейтрино использовался поток пузырьков гелия, которые выносили из большой цистерны с жидкостью десятую часть кубика аргона вместе с радиоактивным аргоном, образовавшимся под действием солнечных нейтрино.


Колебания дуги.

Проделаем два опыта, каждый из которых, во всяком случае на первый взгляд, кажется совершенно удивительным. Описание первого из них было опубликовано в журнале Русского физико-химического общества А.С. Поповым – выдающимся ученым, изобретателем радио. Ставился он следующим образом.

На толстую пластинку из цинка или дюраля кладется тонкий, около 0.1 мм толщиной, листок слюды. Затем полоска листовой латуни размером 20×150×1 мм сгибается по дуге окружности (шаблоном может служить стеклянная банка).

Если нагреть латунную полоску и положить ее на слюду, она начинает совершать колебания и колеблется довольно долго. Ясно, что здесь механическая энергия борется за счет тепловой, но как осуществляется этот процесс?

«Слюда, нагреваемая только с одной стороны, вспучивается в сторону нагретого тела и приподнимает его слегка, вследствие этого в сопрокосновение с нагретым телом приходят новые точки на поверхности слюды, а прежде нагретые остывают от соседства с холодным телом. Дуга наклоняется в одну сторону, пока тяжесть не преодолеет образующийся таким образом движущейся силы…» (А.С. Попов).


Соляной маятник.

Среди многих опытов, которые можно поставить по теме «Колебания», один из наиболее интересных – колебания, возникающие при смешивании жидкостей с различной плотностью. Для изготовления соляного маятника потребуются два прозрачных сосуда: большой (можно использовать стеклянную банку), наполненный чистой водой, и малый (прозрачная бутылка из пластика), в котором содержится концентрированный раствор поваренной соли. Раствор надо подкрасить чернилами.

В дне малого сосуда предварительно проделывается отверстие диаметром 3 мм и затыкается пробкой. Если теперь погрузить этот сосуд в банку с водой и осторожно вынуть пробку, то жидкость поведет себя необычным образом. Сначала в воду попадет струйка солевого раствора. Затем его движение прекратится, и в растворе забьет фонтанчик чистой воды. Потом снова настанет очередь тяжелой жидкости. Путем таких колебаний будет происходить смешивание жидкостей, и при этом за довольно продолжительное время. Таким образом возвращается к устойчивому состоянию первоначально неустойчивая система.


Образование и рост кристаллов.

Часто образование и рост кристаллов наблюдают с помощью микроскопа. Если его нет, можно воспользоваться сильной лупой. Возьмем небольшой плоское стеклышко и положим на него щепотку кристаллов гипосульфита (это вещество используется в фотографии) или салола. Стеклышко надо медленно нагревать, держа его над лампой. При температуре около 50˚С кристаллы плавятся. Нельзя допускать, чтобы жидкость кипела. Сняв стеклышко, закроем его другим, предварительно подогретым стеклом, и будем наблюдать в лупу за появлением и ростом кристаллов. Можно осторожно ввести в щель между стеклами кристаллик вещества и наблюдать, как вокруг него будут расти другие кристаллы.

Тот же эффект дает иголка, введенная в расплав. Кристаллы создают красивый узор между стеклами. Этот узор можно спроецировать на экран, используя диапроектор.

Для выращивания относительно большого кристалла чаще всего используют квасцы (алюмокалиевые квасцы, химическая формула – KAl(SO4)2·12H2O). Это довольно распространенное в быту и совершенно безвредное вещество. Сделаем насыщенный раствор квасцов при температуре 30˚С. Профильтруем его через фильтрованную бумагу и нальем в чистую банку. В центре банки на нитке надо подвесить по возможности большой кристалл тех же квасцов – затравку. Если оставить банку открытой на несколько дней, то из затравки вырастет крупный кристалл. Обычно опыт удается не сразу, но, проявив настойчивость, можно научиться выращивать крупные и красивые кристаллы.


Светящийся состав.

Фосфоресценцией, т.е. способностью светиться заметное время после того, как внешний источник света удалили, обладают многие вещества – люминофоры. Интересный способ приготовления борного люминофора описан В.В. Майером. Приведем это описание.

1 г хвойного концентрата разводят в 50 мл воды. Затем берут 2-3 г борной кислоты, помещают на алюминиевую пластинку и капают на нее раствор концентрата – 10, 20 или 30 капель (в зависимости от количества капель яркость свечения и его цвет будут несколько различаться). Перемешивают концентрат с кислотой до образования однородной массы, разравнивают ее в виде лепешки толщиной 2-3 мм и подогревают на пластинке. Нагревание идет до тех пор, пока вся масса не расплавится. Остывшее вещество представляет собой борный люминофор. Как видно из описания, все исходные вещества можно приобрести в аптеке.

Полученный люминофор способен довольно ярко светиться в темноте после того, как его «зарядят» у электрической лампочки. Свечение продолжается несколько секунд. Используя различные светофильтры, можно наблюдать выполнение для люминофора закон Стокса. Так, красный, желтый и зеленый светофильтры почти полностью гасят фосфоресценцию. Синий и фиолетовый – не гасят.


Флуоресценция растворов.

В лабораторной практике для демонстраций на лекциях применяют самые различные растворы, обладающие яркой флуоресценцией. Наиболее известны такие, как вводно-щелочной раствор флуоресцина, раствор родамина и т.п. Выбор же веществ для домашних опытов невелик. Слабую голубую флуоресценцию обнаруживает чистый керосин, желто-зеленую – риваноль (его можно купить в аптеке). Иногда флуоресцируют много раз использованные проявители для фотопленок или фотобумаги.

Наблюдать флуоресценцию лучше всего с помощью диапроектора, в который вместо диапозитива вставлен кусок картона с вырезанным в центре отверстием (d=2-3 мм). Это позволяет получить слаборасходящийся луч света. Растворы помещают в стеклянный сосуд (лучше, если он прямоугольной формы, например флакон из-под духов) и фокусируют изображение отверстия на передней стенке сосуда. Если в сосуд налита обычная прозрачная жидкость, то, наблюдая сбоку, нельзя в ней увидеть луч света. Во флуоресцирующей жидкости луч хорошо виден из-за того, что падающий свет переизлучается ее молекулами во все стороны.


Опыт Н.А. Умова.

Прогиб балки под действие поперечной силы очень сильно зависит от формы сечения балки. Для демонстрации этого известный русский физик Н.А. Умов показывал на лекции опыты, которые легко можно воспроизвести. Возьмем четыре полосы тонкого картона длиной около 20 см и шириной 5-6 см. Положим одну из них между двумя стопками книг, обвяжем в центре ниткой и подвесим к ней гирьки или другие грузы известного веса (например, монеты в мешочке). Под действием самого малого груза полоса прогнется. Теперь будем менять форму сечения нашей балки. Вторую полоску согнем углом, третью – в виде тавра (буквой П) и повторим испытания.

Фигурные полоски выдерживают значительно больший груз. Однако «чемпионом» станет полоса, которую мы свернем в трубку и свяжем ниткой. Она прогибается под действием груза, в сотни раз большего, чем плоская пластина. Например, трубка с внешним радиусом R=1.2 см и внутренним r=0.75 см прогибается так же, как сплошной брусок квадратного сечения со стороной a=2 см. А ведь количество материала, пошедшее на такую трубку, в 1.5 раз меньше, чем на брусок той же длины.

Полые кости животных и птиц говорят о том, что природа хорошо использует прочные и легкие трубки.


Маятник Максвелла.

Этот прибор носит имя известного английского физика – маятник Максвелла. Это диск, насаженный на ось, к которой привязаны две нити. Их верхние концы закреплены на перекладине (см. рис.). Закрутим нити вокруг оси – диск поднимается. Теперь отпустим маятник – и он начнет совершать периодическое движение: сначала диск опускается, нить раскручивается, диск вращается все быстрее; дойдя до нижней точки и продолжая по инерции вращаться, диск меняет направление своего движения и поднимается вверх. Так он совершает колебания, пока не остановится.

Несколько советов по изготовлению маятника: диск должен быть тяжелым (m>100 г), большим (d>5 см), ось – тонкой и легкой, нити – прочными и достаточно длинными (0.5 м). Лучше иметь набор дисков, меняемых на оси.

Легко выяснить, что период колебания маятника, т.е. полное время спуска и подъема, не зависит от массы диска, а зависит от его радиуса, причем зависимость эта почти прямо пропорциональна. Это указывает на то, что для описания движения маятника необходимо использовать такое понятие, как момент инерции J (для диска J=mr2/2).

Точная формула для периода маятника Максвелла может быть получена путем довольно простых выкладок.

T=2√(2l/g(1+J/mr2)), где l – длина нити, r – радиус оси диска, J – момент инерции.

Эту формулу можно применять как для диска, так и для шара, соответственно изменив конструкцию маятника.




Ракета.

Тот факт, что коэффициенты поверхностного натяжения чистой и мыльной воды отличаются почти в два раза, позволяет на нескольких опытах проиллюстрировать модель: поверхность жидкости – натянутая пленка.

Вырежем из бумаги ракету такой формы, как показано на рисунке. В точку А поместим маленький кусочек мыла. Если теперь опустить ракету на спокойную поверхность воды, то она начнет двигаться. Можно, использую тот же принцип, сделать вертушку в форме буквы S и поместить кусочек мыла в точках А и А’ (второй рисунок).


Связанные маятники.

Вобьем два гвоздя на расстоянии 30 см друг от друга по горизонтали и прикрепим к ним маятники. Массу одного грузика возьмем равной m1=100 г, а массу второго – m2=500 г. Длину нити первого маятника выберем равной l1=1 м, а длину второго маятника нужно будет изменять, допустим так: l2=0.5 м; 0.7 м; 1 м; 1.2 м; 1.5 м.

Возьмем медную проволоку диаметром около 0.3 мм и сделаем из нее мягкую пружинку длиной 30 см (можно навить проволоку на обычный карандаш, а потом аккуратно снять ее).

Теперь соберем всею «установку», как показано на рисунке.

Слегка раскачаем тяжелый (второй) маятник и предоставим систему самой себе. Повторим опыт несколько раз, меняя длину нити тяжелого маятника. Как ведет себя при этом легкий (первый) маятник?

Когда разность длин нитей обоих маятников велика, колебания второго практически не влияют на первый. Когда же длины нитей сравнимы между собой, первый маятник начинает раскачиваться, причем раскачивается он то сильно, то слабо, потом снова сильно и снова слабо и т.д. Почему?

Очевидно, для передачи энергии от второго маятника к первому необходимо, чтобы толчки от пружинки происходили в такт с качаниями первого маятника. Это осуществляется при равенстве длин нитей маятников. В этом случае наступил резонанс.

Обратим внимание на то, что амплитуда колебаний тяжелого маятника почти не меняется. Значит, он передает легкому маятнику лишь небольшую часть своей энергии.

Поменяем маятники местами, т.е. первоначально раскачаем легкий маятник. Мы убедимся, что резонанс будет выражен гораздо слабее (чем легче маятник, тем быстрее затухают его колебания). Проверим это еще раз, воспользовавшись маятником с грузиком массой 20 г.

Наконец, подвесим на одинаковых нитях одинаковые по массе грузики и раскачаем один из них. Мы увидим, что в этом случае оба маятника будут попеременно раскачиваться то сильно, то слабо, пока совсем не затухнут. Причем если один колеблется с большой амплитудой, то второй – с малой и наоборот. Колебания как бы перетекают от первого грузика ко второму и обратно.

Оказывается, все дело в наложении колебаний. Маятники соединены слабой пружинкой, колебания которой передают энергию от одного маятника к другому и как бы регулируют эту передачу. Наложение таких двух колебаний называют биениями.

Следующий опыт потребует некоторого терпения.

Изготовим 5-6 одинаковых маятников и свяжем их одинаковыми пружинками. Приведем в движение первый маятник и увидим, как постепенно колебания будут передаваться остальным маятникам – по цепочке маятников пробежит волна.

Такая система – простейшая модель кристаллической решетки.


«Линии» химических элементов.

Как же можно обнаружить химический элемент с помощью спектроскопа?

Введем в пламя горелки платиновую проволочку, смоченную раствором поваренной соли NaCl. Поднесем при этом пламя горелки к щели спектроскопа. Тогда в окуляре появятся две очень близко расположенные желтые линии. Такие же линии будут видны, если в пламя горелки помещать другие соединения натрия. Но они не возникают, если в соединении натрия нет. Поэтому естественно прийти к выводу, что желтые линии принадлежат натрию.

Оказывается, светящиеся пары любого химического элемента излучают только одному ему присущий спектр – набор монохроматических излучений. Каждое монохроматическое излучение дает в спектроскопе цветную линию. Такой состоящий из отдельных линий спектр называется линейчатый. В специальных таблицах помещены спектральные линии всех элементов, и в них указаны длины волн спектров элементов, последовательность и интенсивность спектральных линий. По таким таблицам можно определить содержание даже микроскопического количества данного элемента в химическом соединении. Если, например, мы подержали в руках платиновую проволочку, а затем поместим её в пламя горелки перед щелью спектроскопа, то сразу же появятся линии натрия. Дело в том, что оставшиеся на руках следы поваренной соли попали на проволочку, и этого незначительного количества вещества было достаточно для того, чтобы обнаружилось присутствие натрия. Натрий и калий обнаруживаются в неизвестном химическом соединении даже в том случае, когда их содержание не превышает одной миллиардной доли.


Биметаллическая пластинка.

Для измерения температуры можно воспользоваться биметаллической пластинкой. Такая пластинка состоит из двух металлов, например, полоски из железа и приклепанной к ней полоски из цинка. Железо и цинк расширяются неодинаково. Так, 1 м железной проволоки при нагревании на 100 градусов удлиняется на 1мм, а 1 м цинковой проволоки – на 3 мм. Поэтому, если нагревать биметаллическую пластинку, она начнет изгибаться в сторону железа.

Возьмем полоски железа и цинка толщиной около 5 мм, длиной 15-20 см и шириной 1 см. Через каждые 1.5-2 см соединим их заклепками. Зажмем в тиски и подогреем ее над газом. Пластинка согнется.


Дымовые кольца.

Явление турбулентности можно продемонстрировать на вихревых кольцах.

Возьмем деревянный ящик, снимем одну его стенку, а на противоположной вырежем круглое отверстие диаметром 10÷20 см. Снятую стенку заменим мембраной – натянутой плотной материей, пластиковой пленкой и т.п. Если теперь резко ударить ладонью по мембране, то воздух из ящика выбрасывается в виде вращающегося кольца. Чтобы сделать кольцо видимым, внутрь ящика поставим два блюдца. Одно – с соляной кислотой, другое – с нашатырным спиртом. Жидкости немного подогреем. Ящик наполнится белым дымом хлористого аммония, и вихревые кольца становятся хорошо видимыми. Опыт надо проводить в большой, хорошо проветриваемой комнате.


Скорость движения ионов при электролизе.

Вырежем полоску фильтрованной бумаги длинно 10 см и шириной 2 см и укрепим ее на стекле или другой изолирующей подставке. Концы полоски должны соприкасаться с проводящими контактами, а вся электрическая цепь состоять из выпрямителя или батареи с напряжением 15-20 В (можно соединить несколько батарей последовательно), ключа и полоски, соединенных последовательно (см. рис.). Теперь займемся приготовлением электролита. Лекарство пурген (фенолфталеин) надо растворить в спирте или одеколоне и добавить несколько капель к раствору поваренной соли в воде. Пропитаем бумагу раствором и замкнем ключ. У катода образуется красное пятнышко, которое разрастается и начинает перемещаться к аноду. В результате электролиза у катода происходит выделение водорода и образование ионов ОН¯. Они вызывают окрашивание фенолфталеина и под действие электрического поля движутся к аноду. Определив скорость перемещения пятнышка красного цвета, можно оценить скорость движения ионов в электролите. Она составляет несколько миллиметров в минуту.

Следует позаботиться о том, чтобы за время опыта фильтрованная бумага не высохла, и закрыть ее сверху еще одним стеклом.

Меняя напряжение на зажимах и концентрацию солевого раствора, мы можем выяснить ряд закономерностей движения ионов.

Заключение


Таким образом, проведя несколько опытов, я показала применение инерции, преломление, интерференции кипения, колебания и других физических явлений в домашних условиях с использованием подручных средств.

Повысила интерес к изучению физики у своих одноклассников.