Физика, учащимся 8-11 классов

Ф И З И К А[1]

Учащимся 8-11 классов

Одной из самых важных проблем физики, ставящих в тупик участников физических олимпиад всех возрастных групп, являются экспериментальные задачи. Поэтому очередную сессию мы посвящаем физическому эксперименту.

Предлагаем вам сделать несколько физических опытов, которые можно не только объяснить, но и показать в качестве фокусов родным, товарищам, гостям. Эти опыты - фокусы были в разные годы напечатаны в журналах «Квант» и «Наука и жизнь». В качестве контрольного задания предлагаем ответить на вопросы, связанные с проведением предложенных опытов.

Опыты с водой и воздухом

Начальной темой экспериментальных исследований выберем давление воздушной атмосферы.

Мы живем на дне воздушного океана. Воздух, без которого невозможны все формы жизни, на самом деле представляет собой смесь газов. На эти газы, так же как на твердые вещества и жидкости, влияет сила земного притяжения. Газы занимают объем пространства и имеют вес. Именно эти обстоятельства позволяют проводить многочисленные опыты, которые для непосвященных воспринимаются как фокусы.

Один из наиболее важных экспериментов по иссле­дованию давления воздуха был выполнен примерно в 1650 г, Отто фон Герике (), ученым из Магдебурга (Германия). Он соединил две большие полые ме­таллические полусферы, а затем откачал из них почти весь воздух с помощью вакуумного насоса собственного изобретения. После этого каждая из полусфер была при­креплена к упряжке лошадей. Лошади тянули полусфе­ры в разные стороны, но, как они ни старались, разъеди­нить полусферы им так и не удалось.

В эксперименте Герике давление воздуха снаружи соединенных металлических сфер значительно превы­шало давление изнутри. Оно было настолько большим, что могло противостоять усилиям двух упряжек лоша­дей, пытающихся разъединить полусферы. Колоссальное давление, которое оказывает атмосфера, положено в основу многочисленных опытов и фокусов, некоторые из которых можно проделать в домашних условиях.

Опыт первый. Вам понадобятся: стакан (или рюмка); лист бумаги; вода.

Налейте воду в стакан и переверните его вверх дном. Как и следовало ожидать, вода выливается.

Налейте воду в тот же стакан, накройте его листком бума­ги, плотно прижмите листок к краю стакана, переверните стакан и от­пустите листок. Вода не выливается.

Опыт второй. Вам понадобятся: большой носовой платок; небольшой стакан; вода.

Наполните стакан на три четверти водой. Накройте его платком, будто вы фокусник и собираетесь проде­лать фокус с исчезновением стакана. Возьмите стакан одной рукой, а другой стяните концы платка под дном стакана. Возьмите дно стакана и платок одной рукой. Затем продавите центр носового платка так, чтобы он коснулся воды. Не бойтесь, если платок намок­нет, это только повысит эффект фокуса.

Переверните стакан. Вода больше не проникает через носовой платок, а вогнутая форма платка сохраняется.

Опыт третий. Наполните стакан водой до краев. Положите на него лист бумаги. Придерживая бумагу одной рукой, другой переверните стакан.

Поднесите стакан как можно ближе к поверхности стола и уберите руку, которой вы придерживали бумагу. Затем осторожно чуть-чуть приподнимите стакан ровно настолько, чтобы быстро вытащить бумагу. Уже в момент, когда вы приподнимаете стакан, чтобы вытащить бумагу, вода удерживается в стакане.

Опыт четвертый. Этот опыт можно сделать еще более эффектно. Наполните одну рюмку водой и поставьте ее на стол обычным образом. Наполните водой вторую рюмку, накройте её листом бумаги и переверните. Перевернутую рюмку установите сверху первой рюм­ки (рис.). Убедитесь, что края рюмок точно совпадают. Затем слегка приподнимите вторую рюмку и вытащите лист бумаги. И снова давление воздуха препятствует вы­ливанию воды из второй рюмки: (Тем не менее трениро­ваться в выполнении этих фокусов лучше всего над рако­виной!)

Опыт пятый. Попробуйте заставить воду закипеть, не нагревая ее. Одной рукой крепко дер­жите стакан в том же положении, а другой рукой натяни­те ткань платка на стакан, как на барабан. Вода опустит­ся вниз, но не будет просачиваться через платок. Таким образом, в верхней части стакана образуется вакуум. Воздух проникает через платок, чтобы этот вакуум за­полнить. В тот момент, когда воздух проходит через воду, в ней появляются пузырьки. Это выглядит так, как будто вода закипела без нагревания.

Опыт шестой. Вы берете стеклянную трубку с оттянутым, как у пипетки, концом и показываете ее своим зрителям. Другой рукой берете за верхний край стакан с во­дой и тоже показываете его. Опускаете трубку от­тянутым концом в стакан и ждете, пока в нее не войдет вода. Затем вы закрываете пальцем верх­нее отверстие трубки и вынимаете ее из стакана.

При этом зрители обнаруживают, что у нижнего отверстия трубки образуются воздушные пузырьки. Они растут, отрываются от стенок и под­нимаются внутри трубки вверх. А вода из трубки не выливается!

Опыт седьмой. Затем, открыв верхнее отверстие трубки, вы выливаете воду обратно в стакан, несколько раз плавно машете перед собой пустой трубкой и вновь набираете воду из стакана в трубку. Закрыв верх­нее отверстие трубки пальцем, вы быстро вынимае­те ее из стакана и переворачиваете— из труб­ки бьет мощный фонтан на высоту более метра.

Указание: в стакане находится вода, нагретая до 80—90°С, тогда как трубка имеет комнатную температуру около 20°С.

В опыте мы рекомендуем использовать стеклян­ную трубку диаметром мм и длинойсм, маленькое отверстие которой имеет диаметр около 1 мм. В промежутке между фокусами трубку надо как следует охладить (можно даже подуть в труб­ку), так как высота фонтана зависит от разности температур воздуха и воды, набранной в трубку. Оптимальное количество набираемой в трубку воды колеблется в пределах от 1/4 до 1/3 объема труб­ки и легко подбирается экспериментально.

Опыт восьмой. (Опыт демонстрирует принцип Магдебургской сферы, но значительно проще чем опыт Герике.) Вам понадобятся: короткая свеча; лист плотной бумаги; два стакана одного размера; вода; спички; ножницы.

Вырежьте кусок бумаги таким образом, чтобы он при­крывал стакан, выступая со всех сторон примерно на сантиметр. Поместите бумагу поверх первого стакана и как следует смочите ее. На дно второго стакана поставьте свечу и зажгите ее. Теперь осторожно переверните пер­вый стакан (придерживая смоченный лист бумаги) и на­кройте им второй стакан с горящей свечой. Убедитесь, что края стаканов хорошо совпадают.

Свеча почти сразу погаснет, поскольку она быстро использует весь кислород, находящийся внутри стака­на. После этого давление воздуха в нижнем стакане уменьшится (подобно тому, как Герике снижал давление внутри полусфере помощью вакуумного насоса). Часть воздуха из верхнего стакана проходит через пористую бумагу, и область пониженного давления распространя­ется на оба стакана. Влажная бумага герметизирует ста­каны.

Попытайтесь оторвать верхний стакан от нижнего. Вам это не удастся из-за давления наружного воздуха, которое прижимает стаканы друг к другу. Теперь вы зна­ете, что такое присасывание, возникающее за счет раз­ницы давлений воздуха.

Опыт девятый. Предыстория: первым устройством, которое позволило человеку дышать под водой, был водолазный колокол. Водолаз­ные колокола применялись на протяжении сотен лет. Существует легенда, что в IV в. до н. э. Александр Маке­донский спускался в воду в водолазном колоколе неда­леко от берегов нынешней Турции.

В нижней части водолазного колокола слой воды. Воздух в колокол подается по специальному шлангу.

Предлагаем воспроизвести простейший водолазный колокол.

Вам понадобятся: глубокая миска, полная воды; рюмка; кусок бумаги.

Наполните миску водой. Скатайте кусочек бумаги в шарик и прикрепите его ко дну рюмки. Переверните рюмку и опустите ее в миску. Опускайте рюмку строго верти­кально, не наклоняя ее.

В рюмку затечет немного воды, но бумага останется сухой. Попадая в рюмку, вода сжимает воздух, находя­щийся внутри. При этом его давление увеличивается, что предотвращает дальнейшее попадание воды в рюмку. Видно, что контур рюмки очень напоминает водолазный колокол. Как и в опыте с рюмкой, верхняя часть водолаз­ного колокола должна находиться над водой, с тем чтобы водолазы могли попасть внутрь него или выйти наружу.

Опыт десятый. Предыстория: Картезианский водолаз был изобретен в начале XVII в. французским математиком и философом Рене Де­картом (). Для этого устройства нужен высо­кий стеклянный сосуд, например бутылка. (Латинский псевдоним Р. Декарта – Картезий (Cartesius) – так что картезианский водолаз можно перевести как «декартов водолаз»).

Простой вариант опыта: обыкновенная бутылка наполняется водой почти до верха, и в нее помещается маленькая стеклянная фигурка человека, после чего горлышко бутылки закрывается куском рези­ны. Если надавить на резину, фигурка погружается в воду. Если уменьшить давление, фигурка снова всплы­вает.

Более сложный вариант опыта:

Вам понадобятся: высокий стеклянный сосуд, наполненный водой почти до верха; надувной шарик; очень маленький пустой пластмассовый пузырек; клейкая лента; шайба; острый нож.

С помощью клейкой ленты прикрепите большую металлическую шайбу к горлышку пластмассового пузырька, чтобы увеличить его вес (см. рис.). Вырежьте в ленте отверстие, совпадающее с прорезью шайбы. Это и есть «водолаз».

Опустите пузырек в сосуд с водой донышком вверх, слегка наклонив, чтобы в него затекла вода. Соотношение воды и воздуха в пузырьке должно быть таким, чтобы пузырек едва держался на плаву. Дно пузырька должно едва выступать над поверхностью воды.

Затяните горлышко сосуда с водой резиновым воздушным шариком, и, удерживая его натянутым одной рукой, слегка нажмите на него другой рукой. Пузырек («водолаз») начнет тонуть, потому что при нажатии на резиновую пробку вы изменяете давление воздуха в бутылке. Под действием этого давления вода затекает в пузырек, сжимая воздух, находящийся в нем, до меньшего объема. Наполняясь водой, пузырек становится тяжелее, теряет часть своей плавучести и начинает тонуть.

Когда давление на пробку ослабевает, уменьшается и давление на воду в бутылке. Более легкий воздух рас­ширяется и выталкивает некоторое количество воды из пузырька. Пузырек становится легче и снова всплывает.

Примечание. Это не совсем простой эксперимент, ведь количество воды, которое надо налить в пузырек, чтобы он не тонул, но и не был слишком плавучим, мож­но определить только экспериментально.

Контрольное задание №2

Представленные ниже задачи являются контрольным заданием №2 для учащихся 8 - 10 классов. Решения необходимо оформить в отдельной тетради и выслать по адресу 8, ХКЦТТ, ХКЗФМШ.

Ф8-10.2.1.  Объясните физические явления, положенные в основу получившихся у вас опытов (не менее четырех).

Ф8-10.2.2.  Зачем нужен листок бумаги в опыте 2?

Ф8-10.2.3.  Почему атмосферное давление удер­живает воду в перевернутом стакане с листочком, но не может удержать такое же количество воды в том же стакане без листочка?

Ф8-10.2.4.  При каких условиях атмосферное давление мо­жет удержать воду в перевернутом сосуде без листка бумаги?

Ф8-10.2.5.  Почему эти условия выполняются во флаконе с узким горлышком и почему они не выполняются в вед­ре? Почему вода из флакона не выливается, а из ведра выливается?

Ф8-10.2.6.  Какова роль в этих опытах поверхностного натяжения воды?

Ф8-10.2.7.  Каким образом можно без насоса создать объем с давлением намного ниже атмосферного?

Ф8-10.2.8.  Можно ли создать в домашних условиях вакуум? Если можно, то как? Если нельзя – то, почему?

Ф8-10.2.9.  Как можно объяснить пузырение воды в стакане при комнатной температуре, подобное тому, которое мы наблюдаем при закипании?

Ф8-10.2.10.  Каким образом в боль­шом водолазном колоколе создать условия для того, чтобы водо­лаз мог дышать?

[1] Автор-составитель , методист ХКЦТТ