Физика (стр. 3 )

Если стрелку повернуть так, чтобы она была направлена вдоль радиуса острием к центру диска, то она будет изображать величину и направление ускорения шарика при его равномерном круговом движении, а тень этой стрелки на экране – величину и направление ускорения точки при гармоническом колебании.

Если установить на диске два стержня с шариками и следить за движением их теней по экрану при равномерном вращении диска, то полученная на экране картина позволит конкретизировать понятие фазы колебания.

На рис. 7 изображены четыре случая расположения стержня для сопоставления двух колебаний: а) колебания одной частоты с разными амплитудами и разностью фаз ; б) колебания одной частоты с равными амплитудами и со сдвигом фаз ; в) колебания одной частоты с равными амплитудами и со сдвигом фаз ; г) колебания одной частоты с разными амплитудами и со сдвигом фаз .

Рис. 7

Опыт № 7. Трубка Ньютона.

Оборудование: трубка Ньютона, вакуумный насос, вакуумная тарелка.

У трубки Ньютона открывают кран и держа ее в положении краном кверху, указывают зрителям на перышко, пробку и кусочек свинца, лежащие на дне трубки. При быстром перевертывании трубки краном вниз слышен удар свинцового грузика, затем видно, как падает пробка и медленно опускается перышко.

Далее подсоединяют к трубке через вакуумную тарелку вакуумный насос и откачивают воздух. При достижении давления 5–6 мм рт. ст. кран трубки Ньютона закрывают и осторожно повертывают край тарелки, медленно впуская воздух под колпак манометра. Затем отсоединяют трубку от тарелки, переворачивают трубку и наблюдают одновременное падение кусочка свинца, пробки и перышка.

Опыт № 8. Гироскопический эффект.

Оборудование: гироскоп в кордановом подвесе.

Этот прибор (рис. 8) служит для демонстрации сохранения свободным гироскопом неизменного направления оси вращения в пространстве.

Рис. 8

Гироскоп приводят во вращение шнуром, намотанным на ось. Конец шнура продевают в отверстие, просверленное в оси гироскопа. Приводя гироскоп во вращение, быстро поворачивают подставку вокруг вертикальной оси в ту или другую сторону и показывают, что при этом ось гироскопа сохраняет неизменным свое направление в пространстве.

Опыт № 9. Реактивное движение.

Оборудование: ракета, велосипедный насос, вода.

Ракета представляет собой полое сигарообразное тело, изготовленное из пластмассы (длина 270 мм, диаметр наиболее широкой части 40 мм, вес 63 г) и снабженное тремя стабилизаторами и резиновым амортизатором на головной части. На рис. 9 показана ракета: 1 – сопло, 2 – стабилизаторы, 3 – хвостовик, 4 – головка, 5 – резиновый амортизатор.

Рис. 9

Через хвостовую часть, снабженную соплом, в ракету наливают 1/3 стакана воды комнатной температуры. Затем ракету устанавливают вертикально или под углом 45° к горизонту на пусковом устройстве, соединенном с ручным велосипедным насосом. Накачав в ракету воздух до давления примерно 2–3 атмосферы, экспериментатор, удерживая насос левой рукой, правой рукой с помощью шнурка освобождает спусковой крючок. При срабатывании спускового механизма вода сильной струей выбрасывается сжатым воздухом из сопла, а освобожденная ракета устремляется в сторону, противоположную истечению воды.

Опыт № 10. Силы трения.

Оборудование: наклонная плоскость с переменным наклоном, деревянный брусок, наждачная шкурка.

Прибор состоит из наклонной плоскости, угол наклона которой можно менять (рис. 10).

Рис. 10

На наклонную плоскость ставят брусок, две грани которого имеют вдвое большую площадь, чем две другие. Все грани, кроме одной, должны быть одинаковой гладкости, одну же грань нужно оклеить наждачной бумагой.

Положив брусок на наклонную плоскость гладкой широкой гранью, постепенно увеличивают угол наклона плоскости. При угле наклона, тангенс которого равен коэффициенту трения, брусок начинает скользить по плоскости. Опыт повторяют, положив брусок узкой гладкой гранью. Скольжение начинается при том же угле наклона плоскости. Далее брусок ставят на плоскость шероховатой гранью и отмечают, что скольжение начинается при гораздо большем угле наклона плоскости, так как коэффициент трения значительно возрос.

2.2. Молекулярная физика. Введение в термодинамику

Опыт № 1. Механическая модель броуновского движения.

Оборудование: прибор для демонстрации броуновского движения; проекционный аппарат с приспособлением для горизонтального проецирования.

Прибор для демонстрации броуновского движения устанавливают на проекционном аппарате, подготовленном для горизонтального проецирования (рис. 1а), на котором закрепляют объектив с оборотной призмой и проецируют прибор на экран (рис. 1б), добиваясь полной резкости изображения стальных шариков и резиновой пробки, помещенных внутри прибора. Стальные шарики изображают молекулы, резиновая пробка – частицу с большей массой, чем шарики.

Рис. 1

Далее вращают ручку ударного механизма. Под влиянием быстрого хаотического движения шариков, имитирующего движение молекул, пробка совершает беспорядочное движение. Она перемещается вследствие одновременной неуравновешенной бомбардировки несколькими шариками.

Опыт № 2. Изменение плотности воздуха с высотой.

Оборудование: шарик из тонкой резины, баллон с гелием, снабженный редуктором, лист бумаги, ножницы, нитки.

Шар из тонкой резины наполняют гелием из баллона через редуктор. К шару привязывают длинную тонкую нитку и лист бумаги. Вес бумаги подбирают таким образом, чтобы шар парил в воздухе на высоте нескольких сантиметров над столом. Когда зрители убедятся в устойчивости этого парения, демонстратор отрезает ножницами кусочек бумаги от листа. В результате шар поднимается вверх и парит на большей высоте. Затем вновь отрезают небольшой кусочек бумаги: парение происходит на еще большей высоте и т. д. Таким образом можно показать, что плотность воздуха с высотой изменяется и шар парит на такой высоте, где вес воздуха в объеме шара равен весу шара вместе с прикрепленной к нему бумагой.

При демонстрации этого опыта в большой аудитории шар может парить на значительной высоте и его достать рукой нельзя. В этом случае шар можно подтянуть за нить для очередного уменьшения веса прикрепленной к нему бумаги.

Опыт № 3. Внутреннее трение в газах.

Оборудование: легкий картонный диск, тонкий металлический диск, электрическая дрель.

Над горизонтальным металлическим диском, зажатым за ось в патроне электродрели, подвешивают на нити к штативу легкий картонный диск (рис. 2).

Рис. 2

Диаметр дисков около 300 мм, расстояние между ними 1–2 мм. При включении дрели в результате внутреннего трения приходит во вращение также и воздух между дисками, увлекая с собой картонный диск, который поворачивается на угол, соответствующий равенству момента сил трения, приложенных со стороны воздуха к диску, и крутящего момента нити подвеса. Скорость вращения нижнего диска – несколько оборотов в секунду.

Опыт № 4. Опыт Плато.

Оборудование: сосуд с плоскопараллельными стенками; прованское или какое-либо другое масло с плотностью около 900 кг/м3, спирт, вода.

До половины сосуда наливают спирт, в массу которого добавляют небольшую каплю масла. Капля опускается до дна сосуда. Подливая воду и помешивая получающуюся смесь, наблюдают, когда масляная капля поднимется до средних слоев смеси, чем и определяют, что установилась ее необходимая плотность. В смесь погружают конец стеклянной воронки, через которую и вводят желаемое количество масла. В результате получается шарообразная масса масла внутри смеси воды и спирта. Если масло разобьется на несколько отдельных шариков, их собирают с помощью проволоки, подводя отделившиеся массы одна к другой.

Опыт № 5. Поверхностное натяжение мыльной пленки.

Оборудование: кольцо с ниткой, штатив, осветитель для теневого проецирования, стакан с мыльным раствором.

К проволочному кольцу привязывают без натяжения тонкую нитку с петелькой в средней части (рис. 3). Кольцо подвешивают к штативу. Снизу к кольцу подводят стакан с мыльным раствором так, чтобы кольцо погрузилось в раствор. Медленно опускают вниз стакан и получают на кольце сплошную мыльную пленку, затем прорывают пленку в правой части и обнаруживают значительное сокращение поверхности пленки: нить принимает форму дуги окружности.

Рис. 3

Опыт повторяют, но прорывают пленку внутри нитяной петельки. Петелька принимает форму правильной окружности.

Опыт № 6. Демонстрация явлений капиллярности.

1. Случай смачивающих жидкостей.

Оборудование: два сообщающихся стеклянных сосуда, из которых один представляет собой капиллярную трубку, вода.

В сообщающиеся сосуды наливают воду (рис. 4а): уровень воды в капиллярной трубке стоит выше уровня в другом сосуде.

Рис. 4

2. Случай несмачивающих жидкостей.

Оборудование: два сообщающихся стеклянных сосуда, из которых один представляет собой капиллярную трубку, жидкое масло, вода.

Внутреннюю поверхность капиллярной трубки смачивают маслом и дают ему стечь. В сообщающиеся сосуды наливают воду (рис. 4б): уровень воды в капиллярной трубке стоит ниже уровня воды в другом сосуде.