Физика в опытах. Обо всем понемногу.

В этом пособии описана большая часть опытов, которые были показаны в Летней школе УНПК МФТИ 20-30 июня 2016 года.

Блок 1. Колебания и волны.

Часть 1. Звук.

Звук – это колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде упругих волн в газообразной, жидкой или твердой среде.

В московском музее «Лунариум» демонстрируется следующий опыт: при откачивании воздуха из-под стеклянного колпака, под которым подвешен колокольчик, звук колокольчика слабеет, гаснет и, наконец, исчезает. Впервые этот опыт был проведен в 1650 году Отто фон Герике, бургомистром города Магдебург, сконструировавшим первый в мире воздушный насос; это послужило доказательством того, что для распространения звука необходимо наличие среды, а в вакууме звук распространяться не может. Не будь атмосферы, Земля стала бы планетой безмолвия.

Чем большей упругостью обладает вещество, тем выше скорость звука в нем. Люди с давних пор обратили внимание, что скорость звука в земле намного превышает скорость звука в воздухе. Возможно, вы помните, что во многих сказках всадник спешивался и слушал, прижавшись ухом к земле, нет ли за ним погони. Жители пустыни Калахари - бушмены - останавливаясь на ночлег в пути, спали на боку, прижимаясь ухом к земле, чтобы заранее среагировать на приближение дикого зверя. Защитники осажденной крепости выставляли дозорных, которые так и назывались – «слушающие землю»: то и дело прикладывая ухо к земле, они следили, не слышно ли стука лопат, не роют ли подкоп осаждающие.

Скорость звука зависит от температуры и прочих условий, для воздуха она изменяется в пределах 330-350м/c, для воды – 1400-1500м/с, для стали – 5000–6100м/с.

«Телефон».

Делаем «телефон» из двух одноразовых стаканчиков, соединенных медной проволокой. Подвешиваем к проволоке металлическую ложку, прижимаем стаканчики к ушам, задеваем ложкой об стол и слушаем «звон колокола».

Рис. 1. «Колокольный звон». Кстати, в этом рисунке явно что-то не такJ Что?

Эхо.

Никто его не видывал,
А слышать — всякий слыхивал,
Без тела, а живет оно,
Без языка — кричит.

Н.А. Некрасов.

Одна из древнегреческих легенд повествует о горной нимфе по имени Эхо, безответно влюбленной в Нарцисса. От тоски по нему она растаяла, и от нее остался только голос, способный повторять лишь окончания произнесенных в ее присутствии слов. Только голос? Нет, еще от горной нимфы осталось имя, которым мы и по сей день называем явление, знакомое каждому из нас с детства.

Эхо – это волна (например, акустическая или электромагнитная), отраженная от какого-либо препятствия и принятая наблюдателем. «Качество» эха зависит от того, насколько хорошо отражает звук это препятствие. На озере Кёнигсзе (рис. 2) – самом чистом озере Германии, со всех сторон окруженном горами - живет, наверное, самое музыкальное в мире эхо, полностью повторяющее отрывки музыкальных фраз.

Рис.2. Озеро Кенигсзе.

Если имеется несколько отражающих поверхностей, звук от которых приходит к наблюдателю в различные моменты времени, можно услышать многократное эхо. Так, в старинном английском замке Вудсток (рис. 3) живет семнадцатикратное эхо.

Рис. 3. Замок Вудсток.

Эхо может служить средством измерения расстояния s от источника сигнала до отражающего объекта:

,

где t – время между посылкой сигнала и возвращением эха, с – скорость распространения волн в среде. На этом принципе основан механизм эхолокации, который используют некоторые животные (летучие мыши, дельфины, киты и т.д.) для ориентировки и поиска добычи (рис. 4). Долгое время оставалось загадкой, как летучие мыши умудряются ориентироваться в полной темноте, и разгадке этой тайны не способствовало то, что звуки, которые они испускают для эхолокации, относятся к высокочастотному диапазону (40-100 кГц) и неслышимы для человеческого уха. Секрет ориентации летучих мышей был раскрыт только в 1938 году Дональдом Гриффином, в ту пору 23-летним студентом Гарвардского университета, хотя предположение о том, что летучие мыши используют эхо от взмахов своих крыльев, было высказано еще в 1793 году итальянским биологом Ладзаро Спалланцани.

Вопрос на засыпку: Как возникло суеверие, что летучие мыши намеренно запутываются в высоких дамских прическах?

Рис. 4. Эхолокация у летучих мышей.

Со временем эхо научился использовать и человек, и в настоящее время эхо применяется в навигации – для измерения глубины дна (рис. 5), гидролокации, дефектоскопии; с помощью эха ищут полезные ископаемые и определяют глубину буровых скважин. Кроме того, разработаны эхолокационные приборы для слабовидящих людей.

Рис. 5. Трансформация лота – от примитивной веревки с грузом до ультразвукового эхолота.

По схожему принципу работают радары и лидары, только вместо звуковых волн используются радиоволны или свет лазера.

Поющие бокалы

Наливаем воду в бокалы до разного уровня, стучим ложкой или проводим смоченным пальцем по краю бокала, изучаем зависимость частоты звука от уровня воды. Смотрим видео: произведения И.С. Баха и П.И.Чайковского на бокалах.

Танцующая соль.

Подключаем маленький динамик к компьютеру, помещаем его в банку и затягиваем резиновой оболочкой воздушного шарика. Сверху на оболочку насыпаем соль. Наблюдаем, как соль танцует под музыку, подбираем музыкальное сопровождение, изменяем амплитуду колебаний.

Ультразвук.

Ультразвук – это звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемых человеческим ухом (более 20 кГц). Имея под рукой генератор звуковых колебаний, можно, изменяя частоту, определить верхнюю границу слышимого диапазона для вас. С возрастом эта граничная частота снижается: лучше всего высокие частоты слышат маленькие дети.

Выполняем опыты с ультразвуковым генератором из набора «Язык дельфинов», выпущенного ООО «Научные развлечения». Прижимаем к колеблющемуся с частотой 44 кГц стержню металлическую пластинку и слышим дребезжащий звук. Прикладываем к вертикально ориентированному стержню болт с гайкой; гайка сама собой начинает закручиваться.

Рис. 6. Генератор ультразвуковых колебаний.

В 1942 году военно-морское ведомство США испытывало на Тихоокеанском побережье новые конструкции подводных микрофонов – гидрофоны, предназначенные для обнаружения подводных лодок. Едва начали испытания новых приборов, вместо шума двигателей послышалась какофония самых невероятных звуков: хрюканье и рычанье, свист и карканье, писк и скрежет. Уже позже ученым удалось выделить из беспорядочных подводных шумов голоса отдельных рыб и животных. Оказалось, например, что ставрида лает, как собака, морской налим урчит и хрюкает, азовский бычок рычит, а тригла ворчит и квакает. Так был разрушен миф о безмолвии рыб: рыбы «разговаривают», но большая часть издаваемых ими звуков лежит за пределами человеческого слуха.

Инфразвук. Цунами.

Инфразвук – низкочастотные акустические колебания, не воспринимаемые человеческим ухом, но оказывающие негативное воздействие на организм человека, так как вызывают резонанс внутренних органов. Естественными источниками инфразвука являются землетрясения, бури и ураганы, цунами. Но человек и сам создает множество техногенных источников инфразвука: мощное оборудование, котельные, транспорт, подводные и подземные взрывы. Для инфразвука характерно незначительное поглощение в различных средах, в результате чего инфразвуковые волны могут распространяться в воздухе, воде и земной коре на очень большие расстояния. Инфразвук может служить предвестником землетрясений, бурь и цунами. Животные воспринимают инфразвук как сигнал, предупреждающий о смертельной опасности. Рыбаки издавна заметили, что задолго до шторма медузы и рыбы уходят из береговой полосы, но лишь спустя сотни лет выяснилось, каким образом они «предсказывают погоду»: у них есть специальные органы, реагирующие на инфразвуковые колебания. Рыбки, живущие в аквариумах, за несколько часов до подземных толчков начинали беспокойно метаться в разные стороны – для японцев это служило предупреждением о возможном цунами.

Цунами – гигантские волны, обладающие огромной разрушительной силой и порождаемые каким-либо мощным воздействием на всю толщу воды в океане или ином водоеме. Как правило, причина возникновения цунами – подводные землетрясения, во время которых происходит резкое смещение участка морского дна.

В открытом океане волны цунами распространяются со скоростью

,

где g – ускорение свободного падения, Н – глубина океана; таким образом, скорость распространения волн может достигать 1000 км/ч, и им достаточно нескольких часов, чтобы пересечь океан.

Рис. 7. Распространение волн цунами 26 декабря 2004 года.

На глубокой воде амплитуда волн не превышает одного метра, а длина волны достигает сотен километров. Цунами становится заметным только при выходе волн на мелководье, когда их скорость и длина уменьшаются, а амплитуда резко возрастает, достигая у берега нескольких десятков метров. Так, при Великом Аляскинском землетрясении в 1964 г. были зафиксированы волны высотой 67 м, а при цунами 1958 г. в заливе Литуйя, Аляска, когда вследствие землетрясения в воды залива сошел мощный оползень, волны достигали высоты 500 м! Однако и цунами высотой 3-6 м могут нанести огромный ущерб. Большинство цунами состоит из серии волн (от 6 до 12), разделенных временным интервалом от 30 минут до полутора часов.

Рис. 8. Пляж Хат-Рей-Ле, Южный Тайланд, 26 декабря 2004. Первая волна цунами.

Цунами нельзя остановить или предотвратить, и единственное, что можно сделать – как можно раньше выявить его и эвакуировать население из прибрежных районов. С этой целью разработана система предупреждения цунами DART, в которой используются придонные датчики со спутниковой связью с приповерхностного буя (рис. 9), установленные в сейсмически опасных зонах.

Рис. 9. Приповерхностный буй системы DART.

Часть 2. Свет.

Светом принято называть электромагнитное излучение с длинами волн, воспринимаемыми человеческим глазом (380-780 нм, оптический диапазон), но зачастую туда же включают невидимые для нас электромагнитные волны из ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов (рис. 10). Привычное нам понятие «цвет» связано с длиной волны излучения. Так, синему цвету соответствуют длины волн 440-480 нм, зеленому – 510-550 нм, красному – 620-770 нм. Белый свет представляет собой «смесь» всех цветов радуги. Традиционно принято выделять в радуге семь цветов (К аждый О хотник Ж елает З нать, Г де С идит Ф азан), но на самом деле спектр большинства источников непрерывен, и цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков.

Рис. 10. Шкала электромагнитных волн (Википедия).

В вакууме скорость света одинакова для всех длин волн и составляет 300000 км/c. Скорость света в среде меньше скорости света в n раз и зависит от длины волны излучения (это явление называется дисперсией, а величина n - показателем преломления; n различно для разных сред).

Рис. 11. Отражение и преломление света на границе раздела сред.

При падении света на границу раздела сред (рис. 11) часть излучения отражается, причем угол падения равен углу отражения (закон отражения света), а часть проходит в другую среду, причем угол отклонения от первоначального направления зависит от показателей преломления веществ и . Если отмерять углы от нормали (перпендикуляра) к границе раздела сред, то угол преломления связан с углом падения по закону Снелла (Снеллиуса):

Радуга.

Поскольку показатель преломления зависит от длины волны излучения, то свет разных цветов будет преломляться по-разному. Это является причиной возникновения радуги. Радуга – оптическое явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света множества водяных капель. Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов, слабее всего отклоняется красный свет, а сильнее всего – фиолетовый. В результате белый свет разлагается в спектр.

Радугу можно получить бесчисленным количеством способов, например, с помощью призмы (рис.12):

Рис. 12. «Случайная» радуга в солнечный день. «Каноническая» схема получения радуги.

«Складываем» цвета.

В эксперименте используются элементы набора «Юный физик» ООО «Научные развлечения»: блок питания и электромотор с насадкой. Прикрепляем на насадку, присоединенную к электромотору, бумажный круг, секторы которого раскрашены в цвета радуги (рис. 13). При включении мотора круг кажется белым.

Рис. 13. «Сложение цветов».

Попутно экспериментируем с раскраской и различными типами узоров на бумажных кругах (рис. 14).

Рис. 14. Варианты раскраски.

Еще один вариант этого несложного опыта – сделать волчок, наклеив раскрашенный бумажный круг на картонный и насадив его на ось из зубочистки или спички.

Перископ.

Перископ («смотрю вокруг», др.-греч.) – оптический прибор для наблюдения из укрытия (рис.). Был придуман Иоганном Гутенбергом в 1430х годах, чтобы позволить пилигримам смотреть поверх голов в толпе на религиозном празднике в Аахене. Использовать его для военных целей впервые предложил Ян Гевелий в 1647 г. В настоящее время перископы устанавливаются на подводных лодках и танках.

Рис. 15. Схема устройства перископа. Применение перископа во время Первой Мировой войны.

Можно сделать перископ своими руками. Для этого нужны два небольших прямоугольных зеркала и картон. Развертка перископа представлена на рис. 16.

Рис. 16. Схема изготовления перископа.

Часть 3. Механические колебания.

Механические колебания – это механическое движение тела или системы тел, которое в той или иной степени обладает повторяемостью во времени и происходит в окрестности положения равновесия. Мы проделаем несколько опытов с парой взаимодействующих маятников; можно назвать их «эксперименты со связанными осцилляторами».

Опыт 1. На игрушечную тележку кладем легкую пластмассовую пластинку, ставим два метронома и раскачиваем их маятники (рис. 17). Наблюдаем смену режимов колебаний: от синфазных колебаний к противофазным и обратно.

Рис. 17. Эксперимент с метрономами.

Рис. 18. Синфазные (а) и противофазные (б) колебания двух метрономов.

Опыт 2. На веревку, горизонтально натянутую между спинками стульев, подвешиваем на нитях одинаковой длины два одинаковых валдайских колокольчика (рис. 19). Раскачиваем один из них в плоскости, перпендикулярной веревке, и наблюдаем, как энергия передается от одного осциллятора к другому и обратно.

Рис. 19. Связанные маятники.

Часть 4. Биения, муар и штангенциркуль.

Многие из вас наблюдали, как при наложении двух занавесок из органзы или тюля на них возникают странные узоры (рис. 20). Задумывались ли вы, какова природа этих полосок и колец? Оказывается, это явление называется муар, с ним довольно безуспешно борются полиграфисты, а физические принципы, порождающие его, очень широки и связаны с таким понятием, как биения и разностная частота.

Рис. 20. Узоры, возникающие при наложении двух занавесок.

Муар – это узор, возникающий при наложении двух периодических сетчатых рисунков. Пронаблюдаем его возникновение на примере двух рядов одинаковых черных полосок, равноудаленных друг от друга; в верхнем ряду расстояние между полосками меньше, чем во втором (рис. 21), но на глаз это практически незаметно.

Рис. 21.

Наложим эти ряды друг на друга (рис. 22), и будем сдвигать один ряд относительно другого.

Рис. 22.

Результаты такого наложения с равномерно увеличивающимся сдвигом представлены на рис. 23. Разность расстояний между полосками, незаметная на рис. 21, на рис. 22-23 делается очевидной. Мы видим, как по мере увеличения сдвига по картинке бежит светлая волна. Определив длину волны, мы очень точно измерим эту разность. Но мало того – по сдвигу светлой волны можно определить, насколько мы сместили ряды полосок. Ничтожно малое смещение рядов друг относительно друга приводит к существенному изменению «муаровой картины», и это дает нам в руки мощный инструмент для фиксирования малых сдвигов, который обрел множество практических применений. Повторить этот «эксперимент» можно, нарисовав ряды полосок в программе CorelDRAW или на двух листах кальки. Идея позаимствована из [1].

Рис. 23.

Вот она – причина возникновения муаровых узоров на занавесках: нити, из которых состоит ткань, следуют с немного разной частотой и то накладываются друг на друга, то образуют промежутки. Но если в нашем эксперименте с горизонтальными рядами полосок узор, возникающий при их совмещении, горизонтально ориентирован, то в случае с занавесками такой же эффект будет наблюдаться и в вертикальном направлении: ткань представляет собой наложение двух перпендикулярных рядов тонких нитей.

Явление муара применяется в измерительной технике при наложении двух шкал с различным шагом. Вероятно, самым распространенным прибором, работающим по этому принципу, является штангенциркуль. Помимо основной шкалы у него есть шкала-нониус, расстояние между делениями на которой на определенную величину F_нон (F_нон указывается на планке прибора) меньше, чем расстояние между делениями на основной шкале F_осн. По положению нулевой отметки нониуса определяют целое количество делений основной шкалы N_осн, а по наилучшему совпадению отметок нониуса с отметками основной шкалы – количество делений нониуса N_нон. Значение L измеряемой величины определяется по формуле

.

Так, на рис. 24 цена деления основной шкалы F_осн=1 мм; разность между ценой деления основной шкалы и ценой деления нониуса F_нон=0.1 мм; по основной шкале определяем, какое деление является ближайшим слева к нулевому делению нониуса: N_осн=15; наилучшее совпадение между делениями нониуса и основной шкалы наблюдается для пятого деления нониуса: N_нон=5. Таким образом, размер измеряемого объекта L=15.5 мм.

Рис. 24. Измерение размеров объекта с помощью штангенциркуля.

Все вышеперечисленное – частные случаи биений. Биения – это явление, возникающее при наложении двух периодических колебаний с очень близкими, но все же не совпадающими частотами. Обозначим эти частоты и , . Амплитуда результирующего сигнала периодически уменьшается и увеличивается (рис. 25), причем частота изменений амплитуды равна разности частот исходных сигналов и называется частотой биений или разностной частотой.

Рис. 25. Сигнал биений (Википедия).

Как можно услышать акустические биения? Мы проводили эксперимент с двумя «авторскими» приборами для настройки скрипки, изготовленными В.Л. Ложенковым (рис. 26). Приборы могут функционировать как генераторы звуковых колебаний. Мы постепенно изменяли частоту одного из них; если частоты генераторов отличались незначительно, мы слышали пульсации звука – это и были биения. При точном совпадении частот биения полностью исчезали, и генераторы «гудели» в унисон.

Рис. 26. Генераторы звуковых колебаний.

Проделать этот опыт можно, не имея никаких приборов – просто скачайте на смартфон одно из бесплатных приложений, например, Frequency Sound Generator. В этой программе можно включить два звуковых сигнала одновременно и, изменяя их частоты, пронаблюдать, как меняется частота биений. Если частоты сигналов различаются сильно, биения слышны не будут. Заодно эта программа позволит определить самую высокую и самую низкую частоту, которую способно воспринимать ваше ухо.

Биения помогают при настройке музыкальных инструментов по камертону (рис. 27). Ослабляя или усиливая натяжение струны, нужно добиться постепенного уменьшения частоты биений вплоть до полного их исчезновения – тогда струна будет настроена в унисон с камертоном.

Рис. 27. Скрипка и камертон.

Но это далеко не единственное применение эффекта биений. Перечислить их все не представляется возможным. Этот эффект используется в радиотехнике для вычитания частот сигналов; в оптике два близких по частоте луча сводятся для определения разности их частот по периоду возникающей на экране интерференционной картины. В лазерных гироскопах разностная частота двух встречных волн, распространяющихся по кольцевому резонатору, пропорциональна скорости вращения гироскопа, что позволяет определить скорость вращения, зная коэффициент пропорциональности конкретного прибора.

Блок 2. Механика.

Часть 1. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести.

Закон всемирного тяготения, открытый Исааком Ньютоном в 1666 году, гласит, что между любой парой тел во Вселенной действует сила F взаимного притяжения, причем для тел, которые имеют массы m₁ и m₂ и разделены расстоянием r, эта сила прямо пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна расстоянию между ними:

,

где – гравитационная постоянная, .

Знакомая многим с детства история про то, как яблоко свалилось на голову Ньютону, и он внезапно осознал, что упало оно под воздействием гравитационного поля Земли, не раскрывает истинной силы того, что произошло в тот летний день. Сам Ньютон рассказывал, что, гуляя по яблоневому саду в поместье своих родителей, он увидел луну в дневном небе. Он знал, что яблоко падает, потому что его притягивает к себе Земля, и что Луна вращается по орбите вокруг Земли, а следовательно, на нее тоже воздействует какая-то сила, которая не дает ей улететь в космос. Падение яблока навело его на мысль, что и то, и другое – одна и та же сила – сила, заставляющая яблоко падать на землю, а Луну – оставаться на орбите. До Ньютона считалось, что падение тел «вниз» – явление чисто земной природы, которое можно наблюдать только вблизи поверхности нашей планеты, а между небесными телами действуют иные, «небесные» силы. Закон всемирного тяготения распространяется на все без исключения физические материальные тела во Вселенной. Ньютон был первым, кто решился на такое обобщение, и это действительно можно считать гениальным озарением. Закон всемирного тяготения объясняет механическое устройство Солнечной системы, из него выводятся траектории движения планет. Сила тяжести , действующая на тела у поверхности нашей планеты – лишь частный случай этого универсального закона.

Кстати, мы с вами тоже притягиваемся друг к другу, но сила эта очень мала, и мы попросту не замечаем ее.

Неваляшка и компания.

У Ваньки, у Встаньки несчастные няньки:

Начнут они Ваньку укладывать спать,

А Ванька не хочет: приляжет и вскочит,

Уляжется снова и встанет опять…

С.Я.Маршак.

Почему же эта упрямая игрушка не хочет лежать? На рис. 28 красной точкой отмечен ее центр тяжести; когда мы наклоняем неваляшку, центр тяжести поднимается, поэтому кукла и стремится вернуться в исходное – самое выгодное – положение.

Рис. 28. Почему неваляшка не хочет лежать.

Кстати, неваляшку можно сделать самостоятельно (рис. 29): проделаем в верхушке яйца небольшое отверстие, выльем его содержимое и положим на дно скорлупы свинцовое грузило (их продают в магазинах для рыболовов), а затем зальем его воском – для этого достаточно подержать над отверстием горящую свечу.

Рис. 29.

На рис. 30 представлены самодельные игрушки с центром тяжести ниже точки опоры. Подобную игрушку несложно изготовить, если под рукой есть пластилин, толстая проволока, пара спичек, свинцовое грузило и немного фантазии.

Рис. 30. Игрушки с центром тяжести ниже точки опоры.

Сообщающиеся сосуды. Водонапорная башня.

Закон сообщающихся сосудов заключается в том, что в сообщающихся сосудах уровни однородной жидкости одинаковы (рис. 31).

Рис. 31. Сообщающиеся сосуды.

Одним из применений сообщающихся сосудов является башенный водопровод (рис. 32). Из бака водонапорной башни, который заполняется при помощи насосов, вода под давлением течет в дома - и льется из кранов, стоит только их открыть.

Рис. 32. Схема устройства башенного водопровода. 1 – скважинный насос для подачи воды из скважины, 2 – водонапорная башня системы Рожновского с резервуаром для воды, 3 – здание с трубопроводными коммуникациями для подачи воды.

Часть 2. Плавание тел. Выталкивающая сила.

Закон Архимеда заключается в том, что на тело, находящееся в жидкости, действует направленная вверх выталкивающая сила, равная весу вытесненной им жидкости:

,

где - плотность жидкости, которую погружено тело, – ускорение свободного падения, а - объем погруженной в жидкость части тела. Закон Архимеда выполняется и в том случае, если тело погружено не в жидкость, а в газ.

Поведение тела в жидкости или газе зависит от того, как соотносятся модули силы Архимеда и силы тяжести (рис. 33).

Рис. 33. Условия плавания тел.

На рис. 34 изображен плавательный пузырь рыбы - орган, представляющий из себя вырост пищевода. Основная функция плавательного пузыря – гидростатическая. Он позволяет рыбе, не тратя энергии на активное плавание, оставаться на нужной ей глубине, где вес вытесняемой рыбой воды равен весу самой рыбы. Если рыбе необходимо спуститься ниже, она спускается, используя активное плавание; при этом из-за повышения наружного давления плавательный пузырь сжимается, и выталкивающая сила становится меньше, что обеспечивает нулевую плавучесть на новой глубине. Акулы, у которых плавательный пузырь отсутствует, чтобы остаться на определенной глубине, вынуждены постоянно активно двигаться.

Рис. 34. Функции плавательного пузыря у рыб (1) и кальмаров (2). Википедия.

Яйцо в соленой и пресной воде.

В пресной воде яйцо тонет. Его можно заставить всплыть, если увеличить силу Архимеда. Сила Архимеда прямо пропорциональна плотности жидкости, в которую погружено тело. Увеличиваем плотность воды, добавив в нее соль, и убеждаемся, что яйцо всплывает.

Рис. 35.

Тающий айсберг.

Будет ли изменяться уровень воды в сосуде, в котором плавает миниатюрный айсберг, по мере таяния айсберга? Экспериментально доказываем, что не будет.

Рис. 36. «Тающий айсберг».

Водолазный колокол.

Водолазный колокол – древнейшее приспособление для спуска под воду, упоминаемое еще Геродотом в V в. до н.э.

Рис. 37. Водолазный колокол Галлея, 1717. Википедия.

Водолазный колокол применяется для спуска водолазов к месту работ на глубину и в наше время. Отправим и мы полосатого водолаза на дно банки с водой, накрыв его перевернутым пластмассовым стаканчиком вместо колокола (рис. 38).

Рис. 38. Тигренок-водолаз.

Смотрим видео про паука-серебрянку: этот паук строит себе водолазный колокол из паутины (рис. 39).

Рис. 39. «Водолазный колокол» паука-серебрянки. Википедия.

Часть 3. Сила трения.

Сила трения – это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причина возникновения трения – шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие их молекул. Сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу. В большинстве механизмов трение играет отрицательную роль, т.к. уменьшает КПД механизма. Однако именно наличие трения позволяет нам перемещаться по поверхности: трение обеспечивает сцепление подошвы с полом, колес автомобиля или мотоцикла с поверхностью дороги. Благодаря трению мы можем писать карандашом по бумаге: чешуйки графита отслаиваются и остаются на бумаге. Трение защищает нас от «метеоритной атаки»: большая часть метеоритов не долетает до земли, сгорая в земной атмосфере (рис. 40). И хотя на самом деле это вовсе не падающая звезда, желание загадать все-таки можно.

Рис. 40. «Падающая звезда» - метеорит. Википедия.

Судно на воздушной подушке.

К CD-диску приклеиваем крышку от бутылки-спорт. Надуваем воздушный шарик и надеваем его на крышку. Диск скользит по поверхности стола практически без трения. Обсуждаем сходство с аэрохоккеем.

Рис. 41. «Судно на воздушной подушке».

Часть 4. Центробежная сила

По следам золотоискателей.

В 1896 году началась знаменитая золотая лихорадка на Клондайке. Та самая золотая лихорадка, которую обессмертил в своих произведениях Джек Лондон. На Юкон стекались люди со всех концов страны. Это были очень разные люди, сошедшие с разных ступенек социальной лестницы. Люди, жаждущие легкой наживы и приключений; люди, поставившие на карту все, что у них было; люди, готовые к непосильному труду в суровых условиях.

Рис. 42. Старатель за работой.

Конечно же, у старателей того времени не было того набора приборов и инструментов, которые используют современные золотоискатели. Лопата, лоток для промывания золота, сито для просеивания… Но как быть, если крупинки золота совсем мелкие, и сито не может их задержать?

Для того, чтобы отсеять мелкий золотой песок, золотоискатели применяли примитивный «центробежный сепаратор», который попробуем изготовить и мы.

Рис. 43. «Золотая пыль».

В чашечку, насаженную на заостренную ось, кладем несколько пулек для пневматической винтовки, засыпаем манной крупой и помещаем в сосуд с водой. Вращаем чашечку, при этом более легкие крупинки манки вылетают, а пульки – «золотой песок» - остаются в чашечке (рис. 44).

Рис. 44. «Центробежный сепаратор».

Вода не выливается!

В пластмассовое ведерко наливаем воду и раскручиваем его в вертикальной плоскости, держась за шнурок, привязанный к ручке ведерка (рис. 45).

Рис. 45.

Часть 5. Давление.

«Самонадувающийся шарик».

С помощью насоса от холодильника откачиваем воздух из банки, в которую помещен слабо надутый воздушный шарик. Наблюдаем, как «надувается» шарик.

Рис. 46.

«Фонтан».

В ту же банку помещаем пузырек из-под лекарства, в резиновую крышку которого вставлена иголка от шприца (рис. 47), и включаем насос. Наблюдаем, как из канала иглы начинает сочиться вода.

Рис. 47. «Фонтан».

«Купающийся шарик».

Направляем фен вверх и помещаем в струю воздушный шарик. Он не хочет покидать струю.

Рис. 48. «Купающийся шарик».

Слипающиеся полоски.

Держим две бумажные полоски на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга и дуем между ними. Вместо того, чтобы разлететься в разные стороны, полоски слипаются. Повторяем этот опыт с двумя воздушными шариками.

Именинное яйцо прячется в бутылку.

Втыкаем в почищенное яйцо одну-две свечки, зажигаем их и держим над ними дном кверху стеклянную бутылку с широким горлышком. Когда воздух в бутылке прогреется, плотно прижимаем яйцо к горлышку. Спустя какое-то время яйцо запрыгивает в бутылку.

Рис. 49. «Именинное яйцо».

Вода опять не выливается!

Опыт 1. Наливаем в стакан воду, накрываем его картонным квадратом, плотно прижимаем картон рукой и переворачиваем стакан. Объясняем явление.

Опыт 2. В бутылке делаем отверстие сбоку, зажимая его пальцем, наливаем в бутылку воду и закручиваем крышку. Несколько капель – и вода перестает литься из отверстия. Откручиваем крышку – вода бьет струей. В чем же дело?

Стаканчик – прилипала.

Слегка надув воздушный шарик, плотно прижимаем к нему пластиковый стаканчик – и продолжаем надувать. Стаканчик можно уже не держать – он не падает!

Рис. 50. «Стаканчики-прилипалы».

Часть 6. Доска Гальтона. Нормальное распределение.

Кривая Гаусса своими руками.

Изготавливаем доску Гальтона, вбивая в картонную коробку большое количество гвоздиков. Через воронку насыпаем сверху гречку или манку, видим, что координаты крупинок после многочисленных столкновений с гвоздиками имеют нормальное распределение (гауссова кривая).

Рис. 51.

Обсуждаем методы обработки экспериментальных данных, усреднение результатов эксперимента. Вводим зачаточное понятие о дисперсии. Находим средний размер мелка, при котором его становится неудобно держать в руках, дисперсию и среднеквадратичное отклонение. Заодно учимся работать со штангенциркулем.

Блок 3. Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы.

Агрегатные состояния – это состояния одного и того же вещества, отличающиеся следующими свойствами: способностью (твёрдое тело) или неспособностью (жидкость, газ) сохранять объём и форму, а также наличием или отсутствием дальнего (твёрдое тело) и ближнего порядка (жидкость), и другими свойствами. Традиционно выделяют три агрегатных состояния вещества: твердое тело, жидкость и газ. Переходы из одного агрегатного состояния в другое называются фазовыми переходами (рис. 52).

Рис. 52. Агрегатные состояния вещества и переходы между ними.

Вопрос на засыпку. Сублимация – переход вещества из твердого в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Что же такое сублимированные продукты (рис. 53) и почему они так называются?

Рис.53. Сублимированная малина.

Мороженое из сливок.

Помещаем коробочку со сливками в сосуд, окружаем ее кусочками льда и сверху посыпаем солью. Соль ускоряет таяние льда; чтобы лед растаял, необходимо сообщить ему некоторое количество теплоты, которое и забирается у сливок. Видим, что сливки превратились в «мороженое».

Кипение и испарение

Кипение, как и испарение – процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. Но если испарение идет только на поверхности жидкости и при любых температуре и давлении, то кипение может происходить только при определенных их значениях по всему объему жидкости. Зависимость температуры кипения воды от давления и высоты над уровнем моря представлена в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость температуры кипения воды от давления и высоты над уровнем моря.

Проведем несколько опытов и убедимся, что при пониженном давлении вода закипает при меньшей температуре.

Опыт 1. С помощью насоса от холодильника (рис. 46) откачиваем воздух из банки, в которую помещен небольшой сосуд с горячей водой. Наблюдаем, как закипает вода в сосуде.

Опыт 2. Набираем в шприц без иглы очень горячую воду, плотно затыкаем отверстие пальцем и вытягиваем поршень вверх. Вода в шприце закипает.

Рис. 54. Кипение воды в шприце.

Обсуждаем, какие проблемы возникают в связи с тем, что в горах вода кипит при меньшей температуре.

Блок 4. Электричество.

Батарейка из лимона.

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Первый в мире химический источник тока был изобретен Алессандро Вольта в 1800 году. Он представлял из себя сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа «вольтовым столбом» (рис. 55).

Рис. 55. «Вольтов столб» (Википедия).

Мы сделаем гальванический элемент из лимона, в который воткнем цинковый и медный электроды. В качестве электродов можно использовать оцинкованные гвозди и 10-рублевые монеты, к которым надо припаять или присоединить зажимами-«крокодильчиками» провода, как сделано в нашем эксперименте; но можно воспользоваться набором «Альтернативные источники энергии» ООО «Знаток». Соединяем несколько таких элементов последовательно, измеряем напряжение (рис. 56).

Рис. 56. «Батарейка из лимона».

Подключаем светодиод и электронные часы. Проводим аналогичный опыт с ячейками, в которые наливаем сначала кока-колу, а потом соленую воду. Можно поэкспериментировать с различными фруктами, овощами, жидкостями. Например, из картошки батарейка получается ничуть не хуже, чем из лимона.

Элемент Пельтье и термопара.

Подключаем элемент Пельтье (рис. 57) к блоку питания. Между пластинами элемента возникает разность температур, которая зависит от приложенного напряжения. Это явление носит название эффект Пельтье. Элементы Пельтье применяются в ситуациях, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, например, для охлаждения и термостатирования диодных лазеров: таким образом стабилизируется длина волны излучения.

Рис. 57. Элемент Пельтье со стороной пластины 1 см.

Обратное явление называется термоэлектрическим эффектом или эффектом Зеебека и используется, например, в термопарах (рис. 58). Проводим измерения температуры воздуха с помощью термопары.

Рис. 58. Принцип работы термопары.

Блок 5. Химические забавы.

Неньютоновские жидкости.

Смешиваем картофельный крахмал с водой (1:1) и изучаем свойства получившегося вещества. Обнаруживаем, что чем быстрее происходит внешнее воздействие на жидкость, тем больше ее вязкость. Можно быстрыми движениями скатать из этого вещества твердый шарик, однако едва мы прекратим перекатывать его между ладонями, он тут же потеряет форму и растечется. Если резко стукнуть ложкой по поверхности жидкости, ложка отскочит от нее, как при ударе о поверхность твердого предмета; но если опускать ложку медленно, то можно легко погрузить ее в жидкость, не чувствуя заметного сопротивления.

Природа этого явления различна для разных типов неньютоновских жидкостей. Так, некоторые из них состоят из длинных молекул, образующих сложные пространственные структуры. При механическом воздействии на такое вещество связи между молекулами усиливаются, и вещество начинает вести себя как твердое тело (сохраняет форму).

Вулкан.

Изготавливаем пластилиновый вулкан со стаканчиком внутри, помещаем в него соду, подкрашенную красителем, и заливаем в жерло уксус. Вулкан начинает извергаться: идет реакция с выделением углекислого газа.

CH₃—COOH + Na⁺[HCO₃]⁻ → CH₃—COO⁻ Na⁺ + H₂O + CO₂

Узоры на молоке.

В молоко капаем разноцветные жидкие красители. Ватной палочкой, смоченной в жидком мыле, прикасаемся к поверхности молока, получаем чудесные узоры.

Рис. 59. Узоры на молоке.

Молекулы моющего средства имеют червеобразную форму (рис. 60). Длинная часть (хвост) состоит из гидрофобных групп, стремящихся покинуть воду, а короткая «голова» молекулы является гидрофильной – «дружественной к воде».

Рис. 60. Молекула моющего средства.

При этом гидрофобная часть молекулы «позаимствована» у жиров и притягивается к ним, таким образом, моющее средство — связующее звено между жидкостью и жиром. Оно обволакивает жировые частицы пленкой (гидрофобными группами — внутрь, гидрофильными — наружу), после чего они легко смываются. Молоко — это эмульсия, состоящая из равномерно распределенных в водной среде капель молочного жира, и гидрофобные «хвосты» молекул моющего средства начинают «гоняться» за жиром, который равномерно распределен в жидкости. Поэтому молоко, в которое капнули жидкого мыла, «самоперемешивается» — довольно тонкий процесс, практически невидимый, если предварительно не подкрасить эмульсию пищевым красителем.

Фараонов Змей-Горыныч

Зажигаем таблетку сухого спирта на теплоизолирующей подставке, сверху кладем три таблетки глюконата кальция. Перед нами, неспешно покачивая тремя головами, вырастает длинношеий Змей-Горыныч.

Рис. 61. Фараонов Змей-Горыныч.

Фараоновыми змеями называют целый ряд реакций, которые сопровождаются образованием пористого продукта из небольшого объема реагирующих веществ. Эти реакции сопровождаются бурным выделением газа.

Разложение глюконата кальция, имеющего состав Са[CH₂OH(CHOH)₄COO]₂ · H₂O приводит к образованию оксида кальция, углерода, углекислого газа и воды.

Волшебные рисунки.

Рисуем на бумаге ватными палочками, смоченными в растворе медного купороса, и затем держим рисунок над миской с нашатырным спиртом. Бледно-голубые линии становятся ярко-синими – образуется аммиакат:

2Cu+8NH₃+3Н₂О+О₂= 2[Cu(NH₃)₄(H₂O)₂](OH)

Список литературы

1. Дмитриев А.С. Законы физики в повседневной жизни: коллекция опытов в домашних условиях. Изд. 2-е. – М.: ЛЕНАНД, 2014.

2. Перельман Я.И. Занимательная физика. Свет, звук и многое другое. – М.: Издательский Дом Мещерякова, 2016.

3. Владимиров А.В. Золотые струны. – Изд. 2-е. – М. Дет. лит., 1991.

4. Википедия, Свободная энциклопедия.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: