Задачи - опыты по физике (стр. 2 )

1. Задача 12. Стакан с чистыми стенками и второй со стенками, покрытыми тонким слоем парафина, наполняются водой так, чтобы она не доходила до краев стакана приблизительно на 1 см. Если на поверхность воды в каждом стакане положить по легкому стальному перу, то в стакане с чистыми стенками перо будет держаться только посередине стакана, так как поверхность воды вогнутая, а во втором стакане перо будет держаться только у края стакана (поверхность воды выпуклая).

Однажды в условии задачи не было указано, что уровень воды расположен ниже края стакана „приблизительно на 1 см". Учащиеся наполнили водой стакан до самых краев. Естественно, что результат опыта получился противоположный тому, какой предполагался в задаче. Но разве эта „неудача" не позволила решить вопрос о форме поверхности жидкости, о смачивании стенок стакана на основании поведения пера, когда оно вместо ожидаемого равновесия в центре поверхности жидкости держалось около края стакана? Надо ли было переделывать задачу, решать ее заново, если она осветила исследуемый вопрос, пожалуй, даже более интересно, чем предполагалось?

2. 3адача 28. Вода в колбе доводится до кипения, после чего нагревательный прибор (например, спиртовка) отставляется, а колба закрывается пробкой, к которой на ниточке подвешен маленький колокольчик. После того как колба остынет, раскачивают ее, заставляя звучать колокольчик. При этом слышен очень слабый звук.

Когда ученики закрывали пробкой колбу после кипячения в ней воды, то, вследствие недостаточно плотного закупоривания, в колбу проник воздух и к моменту ее остывания она была наполнена воздухом при атмосферном давлении и некоторым количеством водяного пара. Так как в результате этого физические условия в колбе после опыта ничем не отличались от условий до опыта, то при встряхивании колбы по-прежнему слышался звон бубенчика. Опыт не привел к желаемому результату, но он продемонстрировал одно из существенных положений физики: если данная система (воздух — пар) в результате происходящих в ней изменений (нагревание, испарение и т. д.) вернулась в свое первоначальное состояние (плотность, температура и т. д.), то любой процесс, например, процесс распространения звука, протекает в ней так же, как он протекал при ее первоначальном состоянии.

Не будь указанной случайной „неудачи", этот вопрос остался бы, конечно, не затронутым.

3. Задача 36. Две колбы закрыты пробками, сквозь которые пропущены концы стеклянной толстостенной трубки, согнутой П-образно. В колбы налито небольшое количество воды, в которую опущены концы трубок, тоже наполненные водой. К середине трубки прикреплена тонкая верёвка, с помощью которой трубка с колбами подвешивается так, чтобы трубка установилась горизонтально. Кроме того, дана электрическая лампочка, поставив которую на одинаковом расстоянии от колб, поочередно направляют от нее лучи то на правую, то на левую колбу. Вода, поочередно нагреваясь, переливается из одной колбы в другую и обратно. Этим переливанием осуществляется качание колб.

С помощью указанной установки учащиеся не могли решить задачу. Они придумали свой способ решения. Под колбы были подставлены две горящие спиртовые лампочки. После того как одну из колб немного опускали, рычаг начинал совершать длительные колебания. По формальным соображениям следовало бы сказать, что задача не решена, так как не выполнено условие задачи и не использована данная установка. Тем не менее, по существу задача была» безусловно, решена и решена блестяще. Ясно, что в этом случае следовало бы указать учащимся на их отступления от условий задачи и вместе с тем всемерно поощрить их творческие поиски новых путей решения, в результате которых были бы вскрыты именно те основные физические явления, ради которых и ставилась задача.

Таких примеров может быть приведено очень много, но и из указанных здесь видно, что неудачи и ошибки учащихся можно использовать для раскрытия многих физических явлений. В связи с этим не следует затушевывать неудачу или некоторую нечеткость опыта. Наоборот, преподавателю совместно с учащимися следует вскрыть физические причины „неудачи". В некоторых случаях „неудачи" могут дать материал для создания новых задач-опытов, часто даже не связанных с темой основной задачи.

Кроме задач-опытов, в настоящем сборнике имеется небольшое количество задач-вопросов (17 задач), из которых семь являются чисто вопросными задачами, а десять представляют собой также задачи-опыты, но для них не дается экспериментальной установки по различным соображениям.

Например, в задаче 38 речь идет о том, что если открыть водоспускной кран в паровом котле с давлением в нем в 8 атм, то из крана пойдет не вода, как этого ожидают учащиеся, а пар, так как вода в котле при давлении в 8 атм имеет температуру около 170° С. Выходя наружу, она кипит, обращаясь в пар. Опыт прекрасно удается с котлами от моделей паровых машин. Однако установка с моделью паровой машины противоречила бы принципу простоты экспериментальных установок.

В задаче 51 говорится о том, что если на один шелковый чулок (на ноге) надеть другой, то после этого снять один верхний чулок очень трудно, так как чулки наэлектризовываются и слипаются. И в этом случае от экспериментальной установки целесообразно отказаться.

Задачи-опыты находят все большее применение в школе. Дальнейшая работа учителей физики в этом направлении, несомненно, будет содействовать повышению качества знаний учащихся по физике и подготовке их к практической деятельности.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ И ПОЯСНЕНИЯ К НИМ.

В тех случаях, когда объяснение явления безусловно известно преподавателю, оно не приводится в решении задач. Однако от учащихся следует требовать теоретических объяснений, связанных с опытным решением задачи.

На некоторые дополнительные вопросы, которые не могут вызвать недоразумений, также не дается ответа, поскольку они являются курсовыми вопросами.

Во многих задачах по электричеству используется переменный ток городской сети или электрический ток аккумуляторов и гальванических элементов. Во всех этих случаях необходимы известные меры предосторожности. Для того чтобы не повторять описания их в каждой задаче, мы ограничимся общими соображениями, одинаково пригодными для любого частного случая.

Штепсельная розетка, от которой пользуются городским током для экспериментальной установки, должна быть снабжена предохранителем, помещенным в самой розетке или включенным в шнур розетки на такой высоте, чтобы, встав на стул, можно было свободно заменять перегоревшие пробки новыми.

Кроме того, следует обязательно включать (до розетки или после нее) последовательно в цепь предохранительное сопротивление.

В качестве такого сопротивления удобнее и проще всего использовать лампочку накаливания (25—100 вт), рассчитанную на нормальное напряжение сети.

В этом случае „короткое" замыкание проводов, с которыми экспериментируют учащиеся, ничем не будет сопровождаться, кроме свечения лампочки.

Весьма желательно, чтобы подобное предохранительное сопротивление было совершенно изолировано от экспериментальной установки, а когда применена лампочка – даже полностью закрыто. В противном случае, во-первых, отвлекается внимание учащихся деталью, которая ничего общего не имеет ни с установкой задачи, ни с ее решением, и, во-вторых, создается опасность, что во время налаживания опыта учащиеся могут случайно замкнуть концы сопротивления каким-нибудь прислоненным к нему металлическим предметом.

Использовать лампочку накаливания в качестве предохранительного сопротивления удобно еще по одному соображению. Когда, согласно задаче, требуется в самой установке использовать, например, две последовательно включенные лампочки, то для осуществления этого достаточно вывинтить лампочку-сопротивление и вместо нее ввинтить пробку предохранителя большого диаметра или цоколь от перегоревшей лампочки с закороченными контактами. (В цепи всегда остается тот предохранитель, о котором говорилось выше.)

Когда в задачах указывается, что лампочки рассчитаны на 127 в, имеется в виду, что напряжение сети равно 127 в. В тех случаях, когда напряжение сети имеет иное значение, следует пользоваться лампочками, рассчитанными на это напряжение.

Если для экспериментальной установки требуется переменный ток низкого напряжения порядка 10–20 в, то можно использовать для этого трансформатор или потенциометр. В том и другом случае, если нет специальных указаний, приборы, понижающие напряжение тока, должны быть совершенно отделены от экспериментальной установки и недоступны для учащихся. Если в физическом кабинете нет необходимого трансформатора и проволочного потенциометра, можно использовать жидкостный. Его включение показано на рис. 27. (Электроды – железные. Раствор соды или хлористого натрия.) Нагревание раствора и порча железных электродов не имеет практического значения, так как опыты длятся весьма недолго.

Если для задачи требуются аккумуляторы, то, независимо от того, применяется ли предохранительное сопротивление или нет, в аккумуляторную цепь обязательно включается предохранитель, рассчитанный на безопасную для аккумулятора силу тока. Этим достигаются две цели: во-первых, аккумулятор оберегается от порчи и, во-вторых, контролируется внимательность и дисциплинированность учащихся во время опытного решения задачи. Используя предохранительное сопротивление, преподаватель, конечно, может быть спокоен за сохранность своих аккумуляторов, но он никогда не сможет выяснить, даже приблизительно, насколько беспорядочно или неумело решалась опытная часть задачи. Наоборот, предохранитель, включенный в цепь аккумулятора, превращается, так сказать, в автоматический регистратор каждого короткого замыкания или перегрузки аккумуляторов, возникших вследствие небрежности, неумелости или невнимательности учащихся. Поэтому существенно монтировать предохранитель на самом аккумуляторе и сделать недоступными для учащихся как полюсы самого аккумулятора, так и предохранитель. Проще всего этого можно добиться, заключив аккумулятор с предохранителем в ящик. Крышка делается на петлях и запирается с помощью висячего или иного замка. В крышке высверливается маленькое отверстие для удаления газов. На боковой стенке ящика монтируются клеммы, соединенные внутри ящика с полюсами аккумулятора (через предохранитель), около которого привинчиваются (одним винтиком каждый) два небольших прямоугольных куска картона с отметками полюсов (+) и (–). Обозначения полюсов лучше не ставить непосредственно на стенке ящика, так как для некоторых задач может потребоваться аккумулятор, знаки полюсов которого должны быть неизвестны учащимся. В этом последнем случае кусочки картона снимаются. При этом можно внутри ящика переключить соединение клемм с полюсами аккумуляторов.