Ф И З И К А[1]

Ф И З И К А1
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 (1602-1668), 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.
1
Автор-составитель Лукина Г.С., методист ХКЦТТ
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 8 - 12 мм и
длиной 30 - 40 см, 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 (1596-1650). 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
680000, г. Хабаровск, ул. Дзержинского, 48, 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?