Задачи - опыты по физике (стр. 8 )

Дополнение. Большая вращающаяся масса у ведра с песком и, следовательно, большая кинетическая энергия.

Если при подготовке опыта обнаруживается, что вследствие деформации данной веревки число оборотов ведерок значительно отличается от указанного в задаче, необходимо внести соответствующее изменение в условие задачи.

23. Инерция жидкости.

Установка. Два рядом стоящие штатива. В одном укреплена воронка, в другом – стеклянная трубка с оттянутым концом, обращенным кверху. Трубка и воронка соединены резиновой трубкой (длина 0,5 м). Кружка с водой. Таз или банка.

Условие задачи. Установите верхний конец воронки на одинаковой высоте с кончиком стеклянной трубки. Из кружки медленно наливайте воду в воронку до тех пор, пока она не наполнит воронки, не дойдя на 1 см до ее края. На таком же расстоянии от кончика вода установится в стеклянной трубке. Вылейте из кружки остаток воды и затем снова слейте в пустую кружку всю воду из установки, перевернув воронку. Укрепите воронку в прежнем положении и вылейте сразу всю воду из кружки в воронку. Вода обязательно выльется из кончика трубки, может быть, даже брызнет вверх.

Почему же вода вылилась из трубки, если ее не хватало даже для того, чтобы наполнить воронку до ее края и трубку до острого кончика?

Дополнения. 1. Какие еще причины, кроме основной, могут сильно способствовать описанному эффекту?

2. Каким способом можно добиться того же явления без кружки, если воронка и трубочка уже наполнены водой, как сказано в задаче?

Решение и пояснения

23. (6-й кл.) Вследствие инерции воды, движущейся в трубке.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Соотношение между диаметром отверстия на кончике стеклянной трубки и диаметром резиновой, между диаметром резиновой и ее длиной и между величиной ее провисания и расстоянием стеклянной трубки от воронки.

2. Стеклянную трубку поднимают вверх так, чтобы вода из резиновой трубки перелилась в воронку. Зажимают пальцами резиновую трубку около воронки и устанавливают стеклянную трубку в прежнем положении. Разжимают пальцы.

24. Инерция при вращательном движении жидкости.

Установка. Стеклянная банка из-под консервов, в которую налита вода приблизительно до четверти ее высоты. На воде плавает пробка, по оси которой высверлен канал (диаметр примерно 4–5 мм). Сквозь канал пробки свободно проходит нижний конец спицы (для вязанья) до нижней части пробки. Верхний конец спицы воткнут в середину большой деревянной или иной пробки, закрывающей банку (рис. 9).

Условие задачи. Как снять со спицы плавающую на воде пробку, не открывая при этом банки?

Решение и пояснения

24. (8-й кл.) Держа вертикально банку в одной или двух руках, приводят воду в банке в быстрое вращение соответствующими движениями руки (или рук). Вследствие образующегося в воде конического углубления пробка соскакивает со спицы.

25. Инерция при вращательном движении жидкости.

Установка. Большая воронка, укрепленная в штативе. Кружка или банка с водой и тазик под воронкой.

Условие задачи. Закройте пальцем нижнее отверстие воронки и наполните ее до краев водой. Затем отнимите палец. При выливании воды из воронки в воде образуется коническое углубление и даже сквозной канал. Почему?

Дополнение. Почему при описанном опыте в воде не образуется углубления, если опустить поперек воронки пластинку жести или картона, держа их в вертикальной плоскости? Почему иногда и без перегородки не образуется ни канала, ни углубления в вытекающей жидкости?

Решение и пояснения

25. (8-й кл.) Объяснение дано в ответе на дополнение.

Дополнение (дается вместе с задачей). Коническое углубление и канал образуются в вытекающей из воронки воде только при условии ее вращательного движения в результате проявления инерции. Если стенки воронки совершенно гладкие, вытекающая вода испытывает во всех точках поверхности стенок одинаковое сопротивление, вращательное движение воды не может возникнуть само по себе. В этом можно убедиться следующим способом.

Закройте нижний конец воронки пальцем, бросьте в воронку спичку и затем наполните ее водой. Если при этом плавающая на поверхности воды спичка не вращается (если вращается, надо подождать, пока она не перестанет вращаться вместе с водой), то, открыв нижнее отверстие воронки, вы не получите ни углубления в воде, ни канала. Наоборот, если вода вращается, то, открыв нижнее отверстие воронки, вы заметите, что спичка начинает вращаться все быстрее и быстрее, пока не втянется в углубление, образующееся в воде и не будет выброшена через канал из воронки.

Все это следует учесть, чтобы возможная „неудача" опыта не только не разочаровала бы учащихся, а, наоборот, явилась бы дополнительным доказательством справедливости их теоретических соображений.

26. Сопротивление среды.

Установка. Листок из ученической тетради или прямоугольный кусок какой-либо бумаги, размером примерно 21×17 см.

Условие задачи. Перед вами лежит листок из тетради.

Как, не изменяя его формы и веса, можно получить разные скорости его падения на стол?

Опускать его следует с высоты примерно в 50 см над столом.

Дополнения. 1. Почему, если опускать листок с высоты примерно в 125 см, то он начинает падать зигзагообразно или даже еще более прихотливо?

2. Как сделать, чтобы листок с любой высоты падал по вертикали, если изменить его вес и не изменять форму?

Решение и пояснения

26. (8-й кл.) Листок бумаги располагается сначала в горизонтальной, а затем в вертикальной плоскости.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Вследствие большой высоты падения образующиеся воздушные вихри достигают такого значения, которое достаточно для искажения линейного падения листка.

2. Приколоть к его нижнему краю гвоздик.

Оба дополнительных вопроса можно дать вместе с задачей.

27. Интерференция и резонанс механических колебаний.

Установка. К двум прочным штативам или к боковым рейкам деревянной рамки привязывается горизонтально тонкая прочная веревка (шнур), длиной примерно в 0,5 м. На расстоянии 10 см от конца веревки к ней прикрепляется конец швейной нитки. На расстоянии 15 см от нее прикрепляется к веревке конец второй швейной нитки и, наконец, на расстоянии 15 см от второй – конец третьей швейной нитки. К первой нитке, длиной в 30 см, подвешен грузик. Два такого же веса грузика лежат на столе. Длина двух других ниток больше на 15 см, чем длина первой нитки.

Условие задачи. Если вы отклоните грузик перпендикулярно направлению веревки, то грузик начнет совершать колебания, вследствие чего начнет смещаться взад и вперед натянутая веревка.

Если к свободным концам остальных двух ниток также привязать грузики, лежащие на столе, то они вследствие колебательных движений горизонтальной веревки могут также начать колебаться.

Как следует подвесить грузики на второй и третьей нитке, чтобы колебания крайнего грузика не вызвали бы колебаний соседнего и, наоборот, вызвали бы колебания третьего, удаленного?

(Второй грузик должен висеть свободно, чтобы ничто не задерживало его движений.)

Дополнения. 1. Все три грузика подвешиваются к ниткам равной длины.

Почему средний грузик не колеблется, если два крайних отклонить на одинаковые расстояния от вертикали, но в противоположных направлениях, и затем предоставить им свободу колебаться?

2. Почему амплитуда колебаний среднего грузика значительно возрастёт, если будет колебаться не один грузик (крайний), а оба в одном и том же направлении?

Решение и пояснения

27. (10-й кл.) Длина третьего маятника равна длине первого. Длина второго значительно отличается (в 2 раза) от длины первого.

Дополнения (даются вместе с задачей). 1 и 2. Интерференция колебаний. В первом случае – сложение равных амплитуд противоположных знаков, во втором – сложение амплитуд одного знака.

Опыт редко демонстрируется, несмотря на его простоту и большую методическую ценность, Если задача используется для домашней работы, то для экспериментальной установки совсем не обязательно пользоваться двумя штативами, которые ученики видят в установке. Вместо них можно, например, использовать ножки стола.

ЗВУК.

28. Распространение звука.

Установка. В штативе укреплена круглодонная колба, закрытая резиновой пробкой с проходящей сквозь неё стеклянной трубочкой. К нижнему концу трубочки на короткой швейной нитке подвешен маленький колокольчик или бубенчик, а на верхний конец надет небольшой отрезок резиновой трубки с зажимом Мора. В колбу налито небольшое количество воды (рис. 10). Спиртовка.

Условие задачи. Выньте пробку вместе с бубенчиком из горла колбы. Поставьте под колбу зажжённую спиртовку. Через 5 мин. после того как закипит вода, вставьте плотно пробку с бубенчиком обратно в колбу и быстро отодвиньте после этого спиртовку. Погасите её. Подождите, пока колба с водой совершенно не остынет. Тогда выньте колбу из штатива и, раскачивая её, заставьте зазвучать бубенчик. Вы услышите очень слабый звон.

Почему звон значительно усилится, если открыть зажим Мора и через некоторое время снова сжать резиновую трубку?

Дополнение. С какой жидкостью вместо воды опыт дал бы значительно лучший результат? (После остывания колбы звук бубенчика на расстоянии одного метра совершенно не слышен.)

Решение и пояснения

28. (9-й кл.) Вследствие конденсации пара в колбе после ее остывания получается весьма разреженная среда. После впуска в колбу воздуха плотность среды, проводящей звук, делается нормальной.

Дополнение (дается вместе с задачей). С ртутью, плотность пара которой при комнатной температуре почти в 13 тысяч раз меньше плотности пара воды.

В „Условии задачи" говорится: „Слышимость звонка значительно усилится, если открыть зажим Мора и через некоторое время снова сжать резиновую трубку". Последнее уточнение делается только для того, чтобы не возникала мысль о том, что звонок усиливается именно потому, что открытая резиновая трубка дала „свободный выход звуковым колебаниям“.

29. Зависимость частоты звуковых колебаний от длины столба воздуха.

Установка. Длинная и короткая пробирки приблизительно одинакового диаметра.