Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина» Школьный физический эксперимент. Демонстрационные опыты Учебно-методическое пособие Рязань 2017 УДК 372.853(075.8) ББК 74.262.23-26я73 Ш67 Печатается по решению редакционно-издательского совета федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина» на 2017 год. Научный редактор В.А. Степанов, д-р физ.-мат. наук, проф. (Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина) Рецензенты: Л.В. Дубицкая, канд. пед. наук, доц. (Государственный социально-гуманитарный университет, Московская область); Б.С. Кирьяков, д-р пед. наук, проф. (Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина) Школьный физический эксперимент. Демонстрационные опыты : учебно-методическое пособие / составители Н.Б. Федорова, Ш67 О.В. Кузнецова, А.В. Ельцов ; Ряз. гос. ун-т имени С.А. Есенина. – Рязань, 2017. – 180 с. ISBN 978-5-906987-19-8 Учебно-методическое пособие содержит 170 демонстрационных опытов, охватывающих весь курс физики основной и средней (полной) школы. Представлено подробное описание демонстрационных опытов по физике согласно тематике. Адресовано студентам направления подготовки 44.03.05 «Педагогическое образование», направленность (профиль) «Физика и английский язык», «Математика и физика», «Технология и физика», учителям физики средних школ, лицеев и гимназий. физика, демонстрационный опыт. УДК 372.853(075.8) ББК 74.262.23-26я73 ISBN 978-5-906987-19-8 © Федорова Н.Б., Кузнецова О.В., Ельцов А.В., сост., 2017 © Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рязанский государственный университет имени C.А. Есенина», 2017 2 ВВЕДЕНИЕ Физический эксперимент составляет основу методики преподавания физики, поскольку он позволяет реализовать один из главных дидактических принципов – наглядность обучения. Школьный физический эксперимент способствует более глубокому изучению законов физики и приобретению учащимися необходимых экспериментальных умений. Демонстрационные опыты являются наиболее обширным видом школьного эксперимента. На протяжении всего курса физики эти опыты пополняют и расширяют кругозор учащихся. Они позволяют сформировать правильные начальные представления о физических явлениях и процессах, раскрывают закономерности, повышают степень усвоения содержания учебного материала, играют большое значение в выработке у учащихся необходимых экспериментальных умений и навыков. В процессе восприятия у школьников развиваются наблюдательские способности, они учатся обрабатывать результаты, знакомятся с физическими приборами, сущностью экспериментального метода, присущего физике, его ролью в научных исследованиях. Все это делает более понятными и убедительными рассуждения учителя при изложении нового материала, способствует формированию научного мировоззрения, подготовке к самостоятельным экспериментальным работам. Учебно-методическое пособие «Школьный физический эксперимент. Демонстрационные опыты» предназначено для курса теории и методики обучения физике для студентов и магистрантов педагогических направлений подготовки. В данное учебное пособие включены демонстрационные опыты, раскрывающие процессы, явления и закономерности по всему курсу физики основной и средней (полной) школы. Все демонстрационные опыты разбиты на 20 лабораторных работ по определенным разделам школьной программы и соответствуют программе курса «теория и методика обучения физике». 3 Каждая работа содержит рисунки экспериментальных установок, соответствующие схемы, а также краткое описание хода демонстрации и перечень теоретических вопросов, знание которых необходимо для выполнения. Для успешной реализации эксперимента нужно знать цель демонстрации; место демонстрационного опыта в учебной программе; основные законы и понятия, изученные к моменту проведения опыта; предмет наблюдения, на котором обнаруживается необходимый эффект. После проведения работы проверяются знания содержания и хода выполнения каждого опыта; устройств и назначения используемых приборов; схем экспериментальных учебных установок; физических законов, объясняющих демонстрируемые явления; рекомендаций по обеспечению успешности опытов; умения изображать схемы и установки и проводить демонстрации, а также объяснять механизм протекающих явлений. 4 I. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Для допуска к работе необходимо знать: основные положения молекулярно-кинетической теории; понятие диффузии; сущность броуновского движения; связь температуры со скоростью движения молекул; различия в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов; природу сил поверхностного натяжения; понятие смачивания; зависимость высоты поднятия жидкости от диаметра капилляра; идею опыта Штерна; способы изменения давления газа. Опыт 1. Расширение твердых тел при нагревании Оборудование: 1) шар с кольцом, 2) спиртовка, 3) спички, 4) кружка с водой. В начале опыта следует показать, что шар в холодном состоянии имеет диаметр меньше диаметра отверстия кольца. Для этого освобождают зажимный винт муфты и перемещают кольцо вверх по стержню штатива так, чтобы шар прошел через отверстие кольца (рис. 1а). Затем снова кольцо опускают вниз и отводят в сторону. Под шар помещают горящую спиртовку и нагревают его в течение 2–3 минут. После нагревания спиртовку убирают, кольцо снова передвигаа б ют по стойке вверх и убеждаются, что нагретый шар не проходит через отверРис. 1 стие кольца и застревает в нем (рис. 1б). Можно также показать, что отверстие кольца при нагревании увеличивается, а при охлаждении – сжимается. Для этого шар и кольцо одновременно нагревают и убеждаются, что шар свободно проходит через отверстие горячего кольца. Но если кольцо охладить водой, то шар застревает в нем. Это указывает на то, что отверстие кольца при охлаждении уменьшилось. Наконец, можно охладить шар, тогда он снова будет проходить через отверстие кольца. 5 Опыт 2. Механическая модель броуновского движения Оборудование: 1) прибор для демонстрации модели броуновского движения, 2) проекционный аппарат с приспособлением для горизонтального проецирования. Прибор для демонстрации модели броуновского движения (рис. 2.1. и 2.2.) (1) устанавливают на проекционном аппарате, подготовленном для горизонтального проецирования с помощью зажимного винта (4). В затемненном классе проецируют прибор на экран и, перемещая объектив, добиваются полной резкости изображения шариков и резиновой пробки (2), поРис. 2.1 мещенных внутри прибора (рис. 2.2). Шарики изображают молекулы, а резиновая пробка – маленькую взвешенную частичку в жидкости или газе, невидимую невооруженным глазом, но наблюдаемую в микроскоп. Вращая ручку ударного механизма (3), шарики приводят в хаотическое движение и наблюдают, как Рис. 2.2 вследствие соударений с ними приходит в некоторое беспорядочное движение и резиновая пробка. Перемещение резиновой пробки моделирует наблюдаемое в микроскопе перемещение взвешенной частички, т.е. броуновское движение (рис. 2.3). Это движение послужило важным опытным подтверждением хаотического движения молекул. Рис. 2.3 Опыт 3. Сцепление свинцовых цилиндров Оборудование: 1) свинцовые цилиндры – пара, 2) набор гирь, 3) штатив универсальный, 4) приспособление для зачистки торцевой части цилиндров, 5) противень с песком. 6 Перед демонстрацией опыта торцевые поверхности свинцовых цилиндров (рис. 3.1) тщательно выравнивают и зачищают до блеска специальным приспособлением. Это необходимо для того, чтобы обеспечить сцепление между возможно большим числом точек. Такое приспособление состоит из основания с настругом (ножом), вделанным в торец стержня (рис. 3.2), и из трубки с разрезом и двумя боковыми вырезами (рис. 3.3). Чтобы зачистить торец свинцового цилиндра, его вставляют в трубку, надетую на стержень основания. Одной рукой опираются приспособлением о стол, другой нажимают на цилиндр и поворачиРис. 3 вают его несколько раз вокруг вертикальной оси. Подготовленные цилиндры берут в руки и сильно прижимают друг к другу торцевыми поверхностями. При этом для лучшего сцепления цилиндры слегка сдвигают относительно друг друга или поворачивают вокруг продольной оси. После этого сцепленные цилиндры подвешивают за крючок к горизонтальному стержню штатива и нагружают постепенно гирями (рис. 3.4). При хорошей подготовке разрыв цилиндров происходит при нагрузке в 5–6 кг. Чтобы предохранить крышку стола от ударов гирь в случае их падения, на стол следует поставить противень с песком, как это показано на рисунке 3.4. Кроме того, при подвешивании нижней гири верхнюю следует придерживать рукой, чтобы исключить опасность падения ее на руку. Рис. 3.4 Опыт 4. Диффузия газов через пористую перегородку Оборудование: 1) пористый цилиндр, 2) манометр демонстрационный с резиновой трубкой, 3) стакан химический, 4) газовая горелка. Пористый цилиндр (рис. 4.1) соединяют резиновой трубкой с демонстрационным манометром и приводят уровни воды в нем в первоначальное положение. В стакан вводят природный газ с помощью газовой горелки. Затем берут пористый цилиндр за цоколь из пластмассы донышком вверх и накрывают химическим стаканом. Наблюдают за изменением уровней воды в манометре. Рис. 4.1 7 Средняя скорость движения молекул газа при одинаковых условиях выше, чем средняя скорость движения более массивных молекул азота и кислорода, составляющих воздух. Последние выходят из цилиндра в меньшем количестве, чем проникают туда наиболее подвижные молекулы газа. Поэтому внутри цилиндра создается давление, которое и отмечает манометр (рис. 4.2). Снимают стакан с пористого цилиндра и наблюдают обратное явление. Давление в манометре доходит до первоначального состояния, Рис. 4.2 а затем уменьшается. Падение давления объясняется тем, что теперь молекулы газа, находящиеся внутри цилиндра, выходят из него быстрее, чем туда проникает воздух. Если окружить пористый цилиндр газом, который тяжелее воздуха, явление диффузии будет протекать в обратном направлении. Для этого стакан ставят на подставку, наполняют его углекислым газом и, опустив в него цилиндр, наблюдают за манометром. Из-за разности скоростей молекул углекислого газа и воздуха давление внутри цилиндра будет увеличиваться, что и покажет манометр. Опыт 5. Прилипание стеклянной пластинки к воде Оборудование: 1) штатив универсальный, 2) чувствительная пружина от лабораторного динамометра, 3) стеклянная пластинка, 4) кристаллизатор с водой. Стеклянную пластинку (рис. 5.1) подвешивают на тонкой пружине, чувствительной к малым нагрузкам, и укрепляют в штативе. Под пластинку подносят снизу кристаллизатор с водой и следят за тем, чтобы его стенки не касались пластинки, вода же смачивала Рис. 5.1 всю ее нижнюю поверхность (рис. 5.2). Между стеклом и водой возникает молекулярное сцепление, для преодоления которого требуется некоторое усилие, что и требуется продемонстрировать. Медленно опускают кристаллизатор и наблюдают, как пластинка держится у поверхности воды при значительном растяжении пружины. Замечают наибольшее растяжение, при котором пластинка, смоченная водой, отрывается от воды. Рис. 5.2 8 Опыт 6. Изучение свойств поверхности жидкости с помощью мыльных пленок Оборудование: 1) два проволочных каркаса: кольцо с ниткой и «качели», 2) штатив, 3) осветитель для теневого проецирования, 4) плоскопараллельная кювета или химический стакан, 5) мыльный раствор. Подвешивают на штативе «качели», т.е. две прямые проволочки диаметром 0,3 мм и длиной приблизительно 50 мм, предварительно связанные между собой тонкими нитями (рис. 6.1). Затем подносят снизу плоскопараллельную кювету или химический стакан с мыльным расРис. 6.1 твором, чтобы весь каркас погрузился в раствор. Медленно опускают вниз кювету и получают между проволочками и нитями сплошную мыльную пленку. Обращают внимание учащихся на то, что нижняя проволочка «качелей» заметно поднялась вверх, а боковые нити приняли форму дуг. Если слегка потянуть за нижнюю нить, пленка растянется и каркас опять примет вид правильного прямоугольника. Если же нить отпустить, то вследствие сокращения поверхности пленка снова примет прежнюю форму. Заменяют «качели» каркасом в виде кольца, к которому привязана без натяжения тонкая (лучше шелковая) нитка с петелькой в средней части (рис. 6.2а). Как и в предыдущем опыте, получают на поверхности кольца сплошную мыльную пленку. Затем прорывают ее, например в правой части, и опять обнаруживают а б в значительное уменьшение поверхности пленки: нить принимает форму дуги Рис. 6.2 окружности (рис. 6.2б). Можно повторить опыт, но прорвать пленку внутри нитяной петельки, тогда образуется правильная окружность (рис. 6.2в). Эти опыты убеждают учащихся в наличии поверхностного натяжения. Пленка во всех случаях принимает самую минимальную поверхность, и силы поверхностного натяжения всегда направлены перпендикулярно к любому элементу контура, ограничивающего пленку. Опыты с пленками на каркасах удобнее демонстрировать в теневой проекции. 9 Опыт 7. Капиллярные явления Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) капилляры промышленного и самодельного изготовления, 3) подкрашенная вода. На практике для этого опыта чаще всего применяются капилляры промышленного изготовления из двух и трех трубок на общей подставке для хранения (рис. 7), в которые наливают подкрашенную воду. Вместе с подставкой капилляры устанавливают на подъемный столик перед конденсором проекционного аппарата и проецируют на Рис. 7 экран отдельно или вместе для сравнения. С помощью этих капиллярных трубок демонстрируют образование менисков, а также зависимость высоты поднятия жидкости от диаметра капилляра. Опыт 8. Модель давления газов Оборудование: 1) весы настольные, 2) штатив универсальный, 3) воронка стеклянная, 4) мелкие стальные шарики, 5) кювета, 6) наклонный экран, 7) разновес. Опыт можно показать с простой установкой, которую собирают из широко распространенных школьных физических приборов. Рядом с одной из чашек обыкновенных настольных весов ставят универсальный штатив с кольцом и небольшим закрепленным желобом так, чтобы один конец желоба оказался на некоторой Рис. 8 высоте над чашкой весов. С другого конца желоба располагают стеклянную воронку для стальных шариков или свинцовой дроби, имитирующих молекулы газа (рис. 8). На одной из чашек весов заранее закрепляют и уравновешивают легкий, но твердый наклонный экран, чтобы шарики при ударе отскакивали от него и не оставались на весах. Один шарик, свободно падающий на хорошо уравновешенные весы, не выводит их из равновесия. При поочередном скатывании нескольких шариков равновесие весов 10 нарушается. Они будут показывать некоторую постоянную величину, имитирующую давление газа. Всю установку следует расположить на большой кювете, чтобы шарики не падали на пол и их можно было бы быстро собрать после опыта. Опыт 9. Раздувание воздушного шара под колоколом воздушного насоса Оборудование: 1) насос Комовского, 2) тарелка со стеклянным колоколом, 3) воздушный шарик, 4) зажим винтовой. Слегка надувают воздушный шарик и завязывают ниткой. Затем кладут его на тарелку под колоколом так, чтобы он не закрывал собой отверстие для выхода воздуха. Соединяют тарелку с насосом и выкачивают из-под колокола воздух, при этом шар начинает постепенно разРис. 9 дуваться (рис. 9). Обращают внимание учащихся на то, что при откачивании воздуха число молекул, приходящееся на единицу объема в пространстве под колоколом, становится все меньше и, следовательно, они с меньшей силой бомбардируют стенки шара снаружи. Внутри шара число молекул остается прежним, поэтому давление на стенки шарика изнутри становится больше наружного давления под колоколом. Наблюдается раздувание шарика. Опыт 10. Модель опыта Штерна Оборудование: 1) линейка измерительная 2) секундомер, 3) вращающийся диск с набором принадлежностей. Пускают из центра диска шарик и замечают место, куда он попадает на барьере. Затем приводят диск в равномерное вращение с определенным числом оборотов в секунду, которое замечают по секундомеру, и снова пускают шарик. Останавливают диск и убеждаются, что теперь шарик попал в другое место барьера (рис. 10). Рис. 10 11 Измеряют расстояние s, на которое сместился в этом опыте шарик, и радиус диска r. Скорость вращения диска υ на его ободе вычисляют, зная радиус r и угловую скорость , равную числу оборотов в секунду: υ = r. Для определения скорости движения шарика и вдоль радиуса диска считают это движение равномерным. Так как время движения шарика по радиусу и время поворота диска на расстояние смещения s равны между собой, то r/u = s/υ. Следовательно, скорость шарика u = rυ / s. По аналогии с этой механической моделью легко объяснить опыт Штерна, недоступный для демонстрации в средней школе. Опыт 11. Обнаружение поверхностного натяжения воды при помощи ареометра Оборудование: 1) ареометр, 2) кружок из медной сетки, 3) стеклянный цилиндр, 4) глазная пипетка, 5) эфир. Для обнаружения поверхностного натяжения воды пользуются ареометром (предел измерения 1,000–0,700) с поплавком или делают поплавок самодельный. На расстоянии 6–7 см от верхнего конца на ареометр надевают кружок из медной сетки 2 диаметром 30–40 мм, вырезанный из сравнительно частой медной сетки, и укрепляют его сверху и снизу двумя резиновыми колечками 1 (рис. 11а). Затем наливают воду в литровый цилиндр и опускают в него ареометр с таким расчетом, чтобы сетка плавающего ареометра находилась на 1–2 см над поверхностью воды (рис. 11б). Медленно погружают пальцем ареометр, чтобы сетка оказалась неглубоко под водой, и осторожно отпускают палец. Ареометр не всплывает, так как поверхность воды, как бы обладая свойствами упругой пленки, удерживает сетку, мешая ей вместе с ареометром подняться в свое первоначальное положение (рис. 11в). С помощью глазной пиа б в петки капают на поверхность Рис. 11 воды 2–3 капли эфира. Ареометр всплывает на поверхность воды, так как поверхностное натяжение у эфира примерно в 4 раза меньше, чем у воды. Пока эфир не испарится, этот опыт повторить не удается. 12 Опыт 12. Изменение поверхностного натяжения воды Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) кристаллизатор с плоским дном, 3) стеклянная трубка, 4) эфир, 5) мыло, 6) натертая пробка. Подготавливают проекционный аппарат для горизонтального проецирования. В кристаллизатор наливают приблизительно до половины чистую воду, на всю поверхность которой насыпают ровным слоем мелко натертую пробку. Установив кристаллизатор на проекционном аппарате, получают на экране резкое изображение мелких распыленных частиц. После этого с помощью тонкой стеклянной трубки вводят на середину поверхности воды небольшую каплю эфира, причем трубку располагают так, чтобы она не мешала Рис. 12.1 наблюдению (рис. 12.1). На экране сейчас же наблюдается быстрое перемещение частичек порошка к краям кристаллизатора и в середине появляется «окно» (рис. 12.2). Это объясняется тем, что эфир резко понижает поверхностное натяжение воды, что приводит к нарушению равновесия сил поверхРис. 12.2 ностного натяжения. Вместо эфира в этом опыте можно воспользоваться кусочком любого мыла, укрепленным на конце лучинки или проволоки и имеющим заостренную форму. Достаточно дотронуться этим кусочком до поверхности воды, посыпанной порошком, чтобы наблюдать описанный выше эффект. Успех этого опыта в значительной степени зависит от чистоты посуды и воды. Даже незначительные примеси каких-либо веществ могут повлиять на качество демонстрации. Опыт 13. Диффузия в жидкостях Оборудование: 1) стеклянный цилиндр, 2) трубка стеклянная с воронкой, 3) стакан химический с насыщенным раствором медного купороса, 4) вода дистиллированная, 5) белый экран. 13 В стеклянный цилиндр наливают примерно до половины дистиллированной воды. Опускают в него до дна трубку с воронкой и через нее наливают в цилиндр насыщенный раствор медного купороса (рис. 13). Наливать раствор надо медленно и осторожно, чтобы не вызвать завихрения, а следовательно, и смешивания обеих жидкостей. Кроме того, необходимо после заполнения цилиндра влить в трубку немного чистой воды, для того чтобы вытеснить из нее раствор купороса. Лишь после этого можно осторожно вынуть трубку, тогда в цилиндре получается четкая, резкая граница между водой и раствором. За цилиндром располагают белый экран. Этим значительно увеличивают видимость резРис. 13 кой границы. Так как диффузия в жидкости протекает медленно, то заполненный цилиндр оставляют на видном месте в покое на 6–7 дней. По истечении этого времени заполняют другой такой же цилиндр, как было описано выше, и сопоставляют начальную стадию опыта, где отчетливо видна резкая граница между водой и раствором, и после диффузии, где медный купорос проник в воду почти по всей ее толщине. 14 II. ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ Для допуска к работе необходимо знать: понятия перемещения и скорости; закон сложения перемещений и скоростей; определение равномерного и неравномерного движения; определение равноускоренного движения; понятие ускорения; понятие линейной и угловой скорости при движении по окружности; что называется системой отсчета; ускорение при свободном падении тела; понятие невесомости; формулу, связывающую линейную и угловую скорости. Опыт 1. Относительность покоя и движения Оборудование: 1) доска на четырех роликах, 2) тележка и указатель от прибора по кинематике и динамике. На доске, которая может легко передвигаться на роликах вдоль демонстрационного стола, устанавливают тележку, которую в свою очередь можно передвигать вдоль доски (рис. 1). Рис. 1 Помещая указатель в качестве тела отсчета то на стол, то на доску, то на тележку, проводят следующие опыты: передвигают тележку вдоль доски, неподвижной относительно стола; придерживая тележку, передвигают под ней доску вдоль стола; передвигают доску с неподвижно стоящей на ней тележкой; перемещая доску вдоль стола, передвигают вдоль доски тележку в ту же сторону. При проведении каждого из этих опытов выявляют движение стола, доски и тележки относительно наблюдателя, находящегося то в одном, то в другом месте. Проведенные опыты показывают, что всякое движение относительно: тела двигаются относительно друг друга. Покой также относителен, он является частным случаем движения. 15 Опыт 2. Сложение перемещений, направленных по одной прямой Оборудование: 1) доска на четырех роликах, 2) тележка и указатели из набора по кинематике и динамике – 3 шт. На доске, расположенной вдоль демонстрационного стола, устанавливают тележку. На столе, на доске и на тележке расставляют указатели так, чтобы они оказались друг против друга. Передвинув одновременно доску по столу и тележку по доске в одну сторону, показывают, пользуясь указателями, перемещение тележки относительно доски и доски относительно стола. Перемещение тележки относительно стола равно по величине расстоянию между указателями, стоящими на столе и на тележке (рис. 2). Рис. 2 Для демонстрации сложения перемещений, направленных в противоположные стороны, пользуются той же установкой, но доску и тележку двигают в противоположные стороны с различной скоростью. Затем измеряют перемещения тележки относительно доски и доски относительно стола. Показывают, что перемещение тележки относительно стола направлено в сторону большего перемещения и равно разности численных значений перемещений составляющих движений. Опыт 3. Сложение перемещений, направленных под углом друг к другу Оборудование: 1) штатив универсальный, 2) шарик на нити. Собирают установку для демонстрации сложения двух перемещений, направленных под углом друг к другу (рис. 3). Сначала показывают движение шарика параллельно плоскости стола. Для этого зацепляют нить за крючок у основания штатива и двигают штатив с шариком вдоль стола. Затем возвращают штатив в ис16 ходное положение и, подтягивая нить, показывают движение шарика в вертикальном направлении. Для демонстрации суммарного перемещения нить зацепляют за крючок второго штатива и снова двигают штатив с шариком вдоль стола. Рис. 3 Перемещаясь вместе со штативом и одновременно поднимаясь вверх, шарик совершает перемещение по наклонной прямой. Опыт 4. Относительность траектории Оборудование: 1) диск для опытов по вращательному движению, 2) штатив универсальный. Обращается внимание учащихся на то, что не только перемещение и скорость относительны, относительна и траектория движения. Чтобы показать это, диск закрепляют в вертикальной плоскости на штативе. К оси диска прикладывают линейку и, раскрутив диск, по его поверхности вдоль линейки проводят мелом радиус. На диске вычерчивается Рис. 4 спираль (рис. 4). В этом опыте траектория движения мела относительно линейки – вертикальный отрезок прямой, а относительно диска – спираль. Опыт 5. Падение тел в воздухе и разреженном пространстве Оборудование: 1) кружки: металлический и бумажный, 2) трубка Ньютона, 3) вакуумный насос Комовского, 5) манометр. В одну руку берется металлический кружок, в другую – бумажный, их одновременно отпускают и наблюдают, что после того как металлический кружок коснется стола, бумажный еще продолжает падать 17 и достигает стола с большим опозданием. Причиной неодновременности падения тел является сопротивление воздуха. Чтобы доказать это, на металлический кружок накладывают бумажный и повторяют опыт. Отпускают кружки, которые, сохраняя горизонтальное положение, падают на стол вместе. В этом случае мы устраняем сопротивление воздуха на бумажный кружок и он падает одновременно с металлическим, для которого сопротивление воздуха мало по сравнению с силой тяжести. Берут трубку Ньютона, открывают кран и обращают внимание учащихся на птичье перышко, пробку и кусочек свинца, лежащие на дне прибора (рис. 5). Устанавливают трубку в вертикальном положении краном вверх. При быстром перевертывании трубки наблюдают неодновременное падение помещенных в нее предметов. Вначале слышен удар свинца, затем видно, как падает пробка и медленно опускается перышко. Соединяют толстостенным резиновым шлангом вакуум-насос через манометр с трубкой Ньютона и откачивают воздух. Когда манометр покажет давление 1 атм, кран трубки закрывают. Отсоединив шланг, снова перевертывают трубку 2–3 раза. Учащиеся слышат стук кусочка свинца и наблюдают одновременное с ним падение перышка и пробки. Чтобы лучше были видны тела, заключенные в трубке, надо проводить опыт по возможности Рис. 5 ближе к учащимся и на темном фоне. Опыт 6. Измерение угловой скорости Оборудование: 1) электродвигатель универсальный, 2) стробоскоп, 3) регулятор напряжения школьный (РНШ). Для демонстрации на вал универсального электродвигателя насаживают картонный диск диаметром около 18 см, вычерченный черной тушью (рис. 6). На внешнем кольце диска размещено 12 черных и столько же белых секций. На расстоянии одного метра на одном уровне с диском устанавливают стробоскоп. Электродвигатель соединяют с регулятором напряжения. Устанавливают на выходе школьного регулятора напряжение 50 В, наблюдая равномерное вращение диска, включают стробоскоп. 18 Рис. 6 Изменяя частоту вспышек стробоскопа, добиваются кажущейся неподвижности наружного кольца диска. Фиксируют эту частоту и определяют период вспышек стробоскопа Т1. Причина кажущейся неподвижности заключается в том, что за время между двумя вспышками на место белой секции будет попадать такая же секция и наблюдателю кольцо будет казаться неподвижным. Плавно изменяя частоту стробоскопа, находят соседнюю частоту, соответствующую предыдущему эффекту, и определяют период вспышек Т2. За время Т = Т2 – Т1 на место белой секции будет попадать ближайшая такая же секция. В этом случае кольцо делает полный оборот за 12Т секунд. Зная время одного оборота, определяют угловую скорость, равную числу оборотов в минуту. При дальнейшем изменении частоты поочередно кажутся остановившимися все последующие кольца, имеющие меньшее количество секторов. Опыт 7. Движение тела, брошенного горизонтально Оборудование: 1) прибор для демонстрации независимости действия сил, 2) метр демонстрационный. Основанием применяемого в этом опыте прибора служит панель с двумя отверстиями для насаживания на шурупы, ввернутые в раму классной доски. На панели подвешен стержень. Нижний конец стержня отогнут под прямым углом и на него свободно насажен стальной шарик, просверленный на две трети диаметра. Второй шарик устанавливается на горизонтальной полке кронштейна, в которой выдавлена небольшая лунка. Оба шарика закалены. Упругая скоба служит упором, ограничивающим движение стержня вправо, а также зажимом для обоих шариков при хранении прибора (рис. 7а). Для демонстрации движения тела, брошенного горизонтально, прибор насаживают на два шурупа, ввернутых слева в рамку классной доски, как показано на рисунке (рис. 7б). Один шарик зажимают под правый конец скобы, а кронштейн поворачивают, освобождая путь для другого шарика. На расстоянии 1 м, где будет падать шаа б рик, на лоток доски кладут смоченную Рис. 7 водой большую тряпку. 19 Взяв рукой шарик, отводят его вместе со стержнем влево на высоту, равную длине стержня (30 см) и отпускают. Шарик вместе со стержнем падает, описывая дугу. Достигнув упора, стержень останавливается, а шарик продолжает по инерции двигаться горизонтально и под действием силы тяжести описывает параболу. Положенная на лоток тряпка полностью поглощает энергию шарика, и он остается на месте своего падения. Анализируют движение шарика, рассматривая его как свободное падение в системе координат, перемещающейся равномерно в горизонтальном направлении со скоростью, достигнутой шариком к моменту соскальзывания со стержня. Время падения определяют по формуле t 2H = 0,4 с. g Разбивают горизонтальный участок падения на четыре равных временных промежутка по 0,1 с каждый. Определяют пути, проходимые шариком, при свободном падении за последовательные равные промежутки времени и соответствующие им отрезки (5, 15, 25 и 35 см), отмечают вдоль левого края доски. На пересечениях вертикалей и горизонталей, проведенных через точки деления, находят положения шарика в каждый из рассматриваемых моментов. Проведя через найденные точки плавную кривую, получают траекторию движения шарика. Опыт повторяют и показывают учащимся полное совпадение траектории движения с вычерченной параболой. Вывод формул Уравнение равнопеременного прямолинейного движения в проекции на ОХ и OY: ax t 2 x x0 0 xt 2 ayt 2 y y0 0 y t 2 (1) x 0x axt y 0 y a yt . Условия движения: 20 xS x0 0 y0 y0 H 0 x 0 ax 0 0 y 0 ay g . Объединяя (1) с условиями движения, x 0 y gt S 0t H gt 2 2 x2 y2 02 (gt)2 . Опыт 8. Движение тела, брошенного под углом к горизонту Оборудование: 1) метр демонстрационный, 2) линейка измерительная, 3) бачок водонапорный с резиновой трубкой и наконечником, 4) столик подъемный, 5) штатив универсальный, 6) кювета для опытов с водой. Установка для проведения опыта изображена на рисунке 8. Наконечник от пипетки соединяют резиновой трубкой с водонапорным бачком и зажимают в горизонтальном положении в муфте штатива. На трубку помещают винтовой зажим, перекрывающий воду. Демонстрационный метр располагают горизонтально так, чтобы нулевое деление шкалы было против наконечника. В направлении вытекания воды устанавливают кювету. Рис. 8.1 Открыв кран и повертывая наконечник, добиваются наибольшей дальности вытекания струи. С помощью подъемного столика устанавливают водонапорный бак на такой высоте, чтобы дальность падения воды равнялась 60 см (число, удобное для деления на 2 и 4), и перекрывают зажим. Вначале демонстрации струю направляют горизонтально, затем постепенно увеличивают угол наклона к горизонту от 0 до 90. Обращают 21 внимание, что при увеличении угла дальность полета струи сначала возрастает, а затем начинает убывать до нуля при угле, равном 90. Высота же непрерывно увеличивается и достигает максимума при угле 90. Повторяя отдельные этапы опыта, устанавливают, что наибольшая дальность (60 см) достигается при угле 45 (рис. 8.2). При этом с помощью измерительной линейки находят, что высота подъема струи равна 15 см. Когда струя направлена вертикально вверх, высота поднятия достигает максимальной величины 30 см, что равно половине максимальной дальности. Рис. 8.2 Для обоснования полученных результатов полезно провести следующие математические рассуждения. Обозначая начальную скорость воды через 0 , находят ее проекции на оси: 0 x 0 cos , 0 e 0 sin , тогда, учитывая, что gy = – g, получают следующую систему уравнений для описания движения: x 0t cos y 0 t sin (1) gt 2 2 (2) Учитывая, что в конце полета струи координата y = 0, из второго уравнения находят время полета t. Решая квадратное уравнение относительно t, находят два корня: t1 = 0 и t2 = 2 0 sin . g Значение t1 соответствует началу полета, t2 – искомое. Дальность полета S – это максимальное значение координаты x. Его мы получим, если в первое уравнение подставим вместо t время полета, равное t2. 22 S xmax 202 sin cos 02 sin 2 g g (3) Дальность S будет наибольшей, если sin2α = 1, т.е. при α = 45. Подставляя во второе уравнение время в два раза меньшее t2 , находят максимальную высоту поднятия струи, направленной под углом 45. 02 sin 2 H 2g (4) 2 Выражая из третьего уравнения 0 и подставляя его значение S 4 в уравнение 4, получают H . Вывод формул Уравнение равнопеременного прямолинейного движения в проекции на ОХ и OY: a xt 2 x x0 0 xt 2 a yt 2 y y0 0 y t 2 (1) x 0 x axt y 0 y a yt . Условия движения: xS x0 0 y0 y0 0 0 y 0 sin 0 x 0 cos ax 0 ay g . Объединяя (1) с условиями движения, S 0 cos t 0 0 sin t gt 2 2 x 0 cos y 0 sin gt x2 y2 (0 cos ) 2 (0 sin gt) 2. 23 III. ОСНОВЫ ДИНАМИКИ Для допуска к работе необходимо знать: сущность явления инерции; законы Ньютона; понятие инертности тела; определение понятия «масса»; виды трения; закон Гука; принцип независимости действия сил; сущность явления невесомости и условия его возникновения; понятие центростремительной силы; закон всемирного тяготения; определение веса тела. Опыт 1. Явление инерции Оборудование: 1) тележка, 2) брусок деревянный, 3) мешок с песком. Для проведения опыта можно воспользоваться тележкой от прибора по кинематике и динамике с вертикально расположенным на ней деревянным бруском (рис. 1). Рис. 1 Резким толчком тележку приводят в движение, брусок падает назад, не успев изменить свою скорость. Вернув тележку в исходное положение, вновь устанавливают на ней брусок и плавно разгоняют ее вдоль стола, натолкнувшись на препятствие, тележка останавливается, а стоящий на ней брусок падает вперед, сохраняя прежнюю скорость. Опыт 2. Инертность тела Оборудование: 1) гиря массой 2 кг, 2) штатив универсальный, 3) нить длиной 1 м, 4) прочный шнурок. Перед опытом заготавливают несколько одинаковых отрезков суровой нити с завязанными на концах петлями. На стойке, собранной из деталей универсального штатива, подвешивают груз массой 2 кг с по24 мощью одного из заготовленных отрезков (рис. 2). Второй такой же отрезок привязывают к нижней петле груза. Чтобы груз при обрывании нити не падал, его подвязывают к перекладине стойки свободно свисающим прочным шнурком. Взявшись за рукоятку, вставленную в петлю нижней нити, приподнимают руку и резко дергают рукоятку вниз. При этом обрывается нижняя нить, а груз остается висячим на верхней нити. При движении руки сила натяжения нижней нити достигает предельного значения за такое короткое время, в течение которого массивная гиря не может заметно опуститься и передать усилие верхней нити так, чтобы она порвалась. После этого заменяют порванную нить новой и медленно натягивают ее, постепенно увеличивая усилие. Теперь обрывается верхняя нить, и груз повисает на Рис. 2 предохранительном шнурке. В этом случае сила натяжения верхней нити раньше достигает предельного значения, так как она в любой момент равна весу гири плюс силе натяжения нижней нити. Опыт 3. Сравнение масс двух тел по их взаимодействию Оборудование: 1) прибор «тела неравной массы», 2) центробежная машина. Для введения понятия массы может служить прибор, представляющий собой лоток, устанавливаемый горизонтально в шпинделе центробежной машины с двумя цилиндрами разной массы, изготовленными из меди и алюминия и связанными шнурком (рис. 3). Цилиндры устанавливают по обе стороны от оси вращения сначала на равРис. 3 ных расстояниях. Показывают, что даже при очень медленном вращении цилиндры не остаются на месте, а сдвигаются на край стержня в сторону медного цилиндра. После этого цилиндры располагают на стержне так, чтобы они, описывая окружности разных радиусов, удерживали друг друга и оставались на своих местах. Такое положение цилиндров заранее находят опытным путем. 25 Измерив радиусы вращения, показывают, что для алюминиевого цилиндра радиус вращения примерно в три раза больше, чем для медного. Этот результат служит основанием для введения понятия массы и позволяет сделать вывод о том, что отношение абсолютных значений ускорений двух взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс. Опыт 4. Трение покоя и скольжения Оборудование: 1) динамометр, 2) гиря массой 2 кг, 3) трибометр демонстрационный, 4) штатив универсальный, 5) метр демонстрационный. Собирают установку (рис. 4). Осторожно и медленно увеличивая силу натяжения нити, замечают, что брусок не движется. Рис. 4 Следовательно, на тело действуют другие силы, уравновешивающие приложенную внешнюю силу. Равнодействующую этих противодействующих движению тела сил назвали силами трения. Увеличивая приложенную к бруску силу, замечают, что при некотором значении этой силы брусок приходит в движение, и показания динамометра уменьшаются. Таким образом, сила трения покоя больше силы трения скольжения. Опыт 5. Движение под действием силы упругости Оборудование: 1) пружина, 2) набор грузов, 3) штатив, 4) линейка. Собирают установку (рис. 5). Используемую в этом опыте пружину можно изготовить из не отожженной стальной проволоки диаметром 0,5–1 мм, намотав на любой стержень, имеющий в сечении окружность. Число витков пружины не менее 20. Фиксируют начальную длину пружины. Подвешивают к нижнему концу пружины груз массой 100 г и отмечают удлинение пружины. Снимают груз и обнаруживают, что длина пружины в недеформированном состоянии не изменилась. Сообщают, что деформации, исчезающие полностью после снятия груза (тело восстанавливает свою первоначальную форму), называют упругими. 26 Повторяют опыт, увеличивая число таких же грузов, подвешенных к пружине. На первой стадии опыта обнаруживают, что абсолютное удлинение пружины пропорционально приложенной к силе: l ~ F. Начиная с некоторого момента, пропорциональность нарушается. Сообщают, что такие деформации называют неупругими. Делают вывод, что линейная зависимость между абсолютной деформацией и приложенной силой справедлива Рис. 5 только для упругих деформаций. Подмеченную зависимость записывают в виде l F k, где k – коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью. Чем больше жесткость, тем меньше абсолютная деформация. Опыт 6. Третий закон динамики Оборудование: 1) два динамометра, 2) штатив универсальный. Рис. 6 Один из демонстрационных динамометров укрепляют в штативе, другой динамометр прикрепляют к нижнему крючку (рис. 6). Предварительно стрелки обоих динамометров устанавливают на ноль. Обращают внимание на то, что динамометры действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Стрелки приборов поворачиваются в разные стороны. Опыт 7. Невесомость при падении тела Оборудование: 1) груз наборный массой в 2 кг, 2) штатив универсальный, 3) шнур, 4) полоска бумаги, 5) мешок с песком. На прочном шнурке, пропущенном через кольцо штатива, подвешивают груз в 2 кг, состоящий из отдельных цилиндрических гирь. 27 На другом конце шнура делают петлю, которую зацепляют за крючок муфты на стержне штатива (рис. 7). Между гирями наборного груза закладывают полоску газетной или промокательной бумаги, свободный конец которой прочно зажимают в лапке штатива. Груз, находящийся поверх бумаги, является телом; то, что находится под бумагой, есть опора. Бумага – это индикатор, показывающий, действует тело на опору или нет. Отпуская петлю шнурка, груз свободно падает. При свободном падении тело и опора двигаются с одинаковым ускорением, равным ускорению свободного падения. Тело не может догнать опору, и бумажная полоска, освободившись, повисает на лапке штатива, оставаясь целой. Сила, с которой тело давит на опору, равна нулю, вес тела отсутствует. Повторяют опыт, медленно отпуская груз. Тело давит на опору и разрывает бумажную полоску. Опыт показывает, что при свободном падении давление гири на опору отсутствует, т.е. гиря при падении находится в состоянии Рис. 7 невесомости. Опыт 8. Возникновение центростремительной силы Оборудование: 1) вращающийся диск, 2) каток. В качестве одного из примеров возникновения центростремительной силы целесообразно показать движение катка на вращающемся диске. Закрепляют на диске желоб и из двух катков, прилагаемых к диску, выбирают более массивный. Прикрепляют каток тесьмой к роРис. 8 лику и ставят на желоб. Длину тесьмы подбирают так, чтобы радиус вращения катка не превышал 30 см. Для демонстрации возникновения центростремительной силы каток ставят на 10–15 см от оси диска и вращают диск (рис. 8). При повороте каток катится по желобу, двигаясь по инерции прямолинейно, пока не натянется тесьма. Сила натяжения тесьмы является центростремительной силой: она искривляет траекторию движения катка, заставляя его двигаться по окружности. 28 Опыт 9. Модель центрифуги Оборудование: 1) модель центрифуги, 2) центробежная машина, 3) пробирки, 4) зубной порошок. Модель центрифуги закрепляют в патроне центробежной машины (рис. 9). Перед демонстрацией в три одинаковые пробирки наливают мутную воду, полученную взбалтыванием ее с зубным порошком, и все три пробирки показывают учащимся на фоне экрана. Оставляют одну пробирку перед экраном, Рис. 9 а две другие вставляют в держатели центрифуги и приводят машину на 1–2 мин в такое быстрое вращение, чтобы пробирки приняли почти горизонтальное положение. После этого сравнивают на просвет мутную воду в контрольной пробирке с водой, которая была в центрифуге, и убеждаются, что вода после опыта стала значительно светлее, а частицы мела отложились на дне в виде тонкого непрозрачного слоя. Полученный результат объясняют следующим образом. Быстрота оседания твердых частиц в жидкости пропорциональна разности удельных весов твердых частиц и жидкости. Эффект вращения аналогичен эффекту увеличения веса. Пропорциональное увеличение веса твердых частиц и жидкости вызывает увеличение разности их удельных весов и, следовательно, увеличение скорости оседания частиц. Опыт 10. Движение по окружности (центробежная дорога) Оборудование: 1) центробежная дорога, 2) метр, 3) шарик. Рис. 10 На приборе (рис. 10) определяют, с какой минимальной высоты надо пустить шарик, чтобы он обегал петлю, не отрываясь от нее в верхней точке. Проще всего эта задача решается на основании закона сохранения энергии. Потенциальная энергия шарика в точке скатывания равна mgh. В верхней точке петли она превращается в кинетическую энергию, равную mυ2/2, и потенциальную энергию mg2R. 29 Считая, что энергия превращается без каких-либо потерь E p1 E p 2 E k 2 (вращательное движение шарика вокруг своего центра не учитывается), находим: mgH mg2R H 2R m 2 2 : mg , 2 . 2g Сила тяжести в верхней точке петли есть центростремительная 2 2 сила, поэтому mg maц , ац , mg m , откуда 2 gR . R R Подставляя найденное значение в предыдущее равенство, полуR 2 5 2 чим H 2R R 2,5R . Отмерив демонстрационным метром найденную высоту от верхней точки петли, пускают шарик и наблюдают его движение. При пуске с меньшей высоты шарик падает, не достигнув верхней точки. 30 IV. ОСНОВЫ СТАТИКИ Для допуска к работе необходимо знать: определение понятия силы; понятие сложения сил; понятие равнодействующей силы; понятие деформации тела; момент силы; плечо силы; условие равновесия тела, имеющего ось вращения; условие равновесия тела, имеющего площадь опоры; виды равновесия; виды деформации. Опыт 1. Устройство и действие динамометров Оборудование: 1) динамометры демонстрационные трубчатые, 2) набор грузов по 100 г, 3) динамометр демонстрационный с круглой шкалой, 4) динамометры лабораторные, 5) штатив универсальный. В этом опыте учащихся знакомят с тремя типами пружинных динамометров – лабораторными и двумя демонстрационными динамометрами (трубчатым и с круглой шкалой) (рис. 1). Вначале раздают учащимся на руРис. 1 ки лабораторные динамометры. Кратко поясняют устройство динамометра и обращают внимание на правила пользования им. У прибора хорошо видна открытая спиральная пружина, один конец которой прикреплен к небольшому выступу деревянной панели, а второй, свободный конец, снабжен указателем и проволочным поводком с крючком на конце. Поводок перемещается внутри предохранительной скобы, ограничивающей растяжение пружины. Обращают внимание на шкалу прибора, она проградуирована в ньютонах и граммах. Предельная нагрузка прибора 4 Н. Затем показывают трубчатый динамометр с предельной нагрузкой 5 Н. На крючок вешают три груза по 100 г, под действием грузов пружина растягивается, и учащиеся видят внутреннюю трубку, на которой нанесена цветная шкала, проградуированная в ньютонах. При 31 этом сама пружина учащимся не видна, так как она расположена внутри двух трубок, одна из которых свободно входит в другую. Надо обратить внимание также на корректирующую муфту, надетую на нижний конец внешней трубки динамометра, и показать ее перемещение для установки шкалы прибора на нуль. После этого показывают два других трубчатых динамометра, которые входят в комплект. Они отличаются друг от друга ценой деления шкалы и рассчитаны на 2,5 Н и 10 Н. Наконец, знакомят учащихся с демонстрационным динамометром, имеющим круглую шкалу. У этого динамометра устройство не видно учащимся, поэтому на классной доске изображают схему прибора и разъясняют взаимодействие его отдельных частей. Далее обращают внимание на шкалу динамометра. Она имеет нуль в середине, а вправо и влево от нуля нанесены 12 делений ценой 1 Н каждое. Показывают, что шкалу можно поворачивать. Это сделано для того, чтобы можно было устанавливать стрелку на нуле даже в тех случаях, когда пружины прибора уже находятся под некоторой нагрузкой. Опыт 2. Сложение сил, действующих по одной прямой и направленных в одну сторону Оборудование: 1) динамометр демонстрационный, 2) грузы по механике с двумя крючками, 3) гири массой 200 г и 500 г, 4) штатив. Для демонстрации сложения сил, направленных в одну сторону, к нижнему крючку динамометра с круглой шкалой, укрепленного в муфте штатива, подвешивают два груза по 100 г и замечают показания динамометра. Сняв грузы, подвешивают одну гирю в 200 г и обнаруживают, что две силы можно заменить одной, равной их сумме (рис. 2). Основываясь на этом опыте, делают вывод: равнодействующая двух сил, направленных по одной прямой в одну сторону, равна их сумме и направлена в ту же сторону. Показывают, что полученный вывод справедлив для любого числа сил. С этой целью опыт повторяют, пользуясь пятью грузами по 100 г, а затем одной по 500 г. 32 Рис. 2 Опыт 3. Сложение сил, действующих вдоль одной прямой и направленных в разные стороны Оборудование: 1) динамометр с круглой шкалой, 2) блок неподвижный на стержне, 3) грузы по механике с двумя крючками, 4) штатив универсальный. Собирают установку (рис. 3). К верхнему крючку динамометра привязывают нить и перебрасывают ее через неподвижный блок, укрепленный на штативе. Вначале показывают, что по отклонению стрелки динамометра можно судить не только о величине силы, но и о ее направлении. С этой целью от руки прикладывают к динамометру силу, направленную вниз, – стрелка динамометра отклоняется влево; при обратном направлении силы стрелка отклоняется вправо. После этого к свободному концу нити, переброшенной через блок, подвешивают два груза. Стрелка динамометра отклоняется вправо, указывая величину и направление действующей силы. Рис. 3 Затем к нижнему крючку динамометра подвешивают последовательно несколько грузов, определяя каждый раз величину и направление равнодействующей силы. Опыт показывает, что по мере возрастания силы, направленной вниз, равнодействующая вначале убывает по величине (при равенстве составляющих она обращается в нуль), а затем, изменив направление, начинает возрастать. На основании проделанного опыта приходят к выводу: равнодействующая двух сил, действующих на тело по одной прямой в противоположные стороны, равна разности этих сил и направлена в сторону большей силы. Опыт 4. Перенос точки приложения силы вдоль линии действия Оборудование: 1) набор грузов, 2) штатив универсальный, 3) динамометр демонстрационный, 4) гиря массой 500 г. К нижнему крючку динамометра, укрепленного в муфте штатива, подвешивают гирю в 500 г и замечают показания динамометра (рис. 4). 33 Затем гирю 500 г ставят на столик, укрепленный на верхнем стержне динамометра (вес столика предварительно исключают из показаний динамометра путем поворота шкалы). Обращают внимание учащихся на то, что от переноса гири показания динамометра не изменились. На основе последнего опыта делают еще одно важное заключение: точку приложения силы, действующей на твердое тело, можно переносить вдоль одной прямой, по которой действует сила. Далее к нижнему крючку подвешивают, например, три груза, а гирю 500 г оставляют на столике динамометра. Наблюдают сложение сил, приложенных к динамометру в различных его точках. Рис. 4 Опыт 5. Правило параллелограмма Оборудование: 1) набор по статике. На щите от набора Зворыкина закрепляют два блока на одном горизонтальном уровне на расстоянии 40–60 см друг от друга. Через блоки перекидывают нить и к концам ее привязывают одинаковые грузы по 150–200 г. Середину нити оттягивают динамометром (рис. 5). На щите в произвольном масштабе от средРис. 5 ней точки откладывают силы, соответствующие подвешенным грузам. В таком же масштабе отмечают равнодействующую силу, показанную динамометром и отложенную в противоположном направлении. Соединяют концы векторов отмеченных сил и убеждаются, что полученная фигура является параллелограммом, построенным на слагаемых силах как на сторонах, с диагональю, равной уравновешивающей силе. Опыт 6. Равновесие тел под действием силы тяжести Оборудование: 1) метр демонстрационный, 2) электролампа в патроне на подставке, 3) штатив универсальный. Различные виды равновесия тел под действием силы тяжести сначала демонстрируют на линейке, имеющей отверстия на конце и в центре тяжести. Подвесив линейку за крайнее отверстие к стержню, 34 закрепленному в муфте штатива, показывают ее устойчивое равновесие. Затем линейку поворачивают вверх и демонстрируют положение неустойчивого равновесия. Насадив линейку на стержень отверстием, совпадающим с центром тяжести, и располагая ее в различных положениях, показывают безразличное равновесие. Рассмотренные конкретные примеры дают возможность выявить основной признак, позволяющий относить равновесие к тому или иному виду: увеличение, уменьшение или сохранение высоты центра тяжести при поворачивании тела вокруг оси или точки опоры. В дополнение к показанному опыту полезно предложить учащимся рассмотреть равновесие линейки, лежащей на баллоне электролампы (рис. 6), и выяснить условие, при котором такой случай устойчивого равновесия возможен. Рис. 6 Исходя из выведенного общего условия, учащиеся должны прийти к выводу, что равновесие будет устойчивым, если толщина линейки достаточно мала по сравнению с диаметром баллона. Опыт 7. Равновесие тел, имеющих площадь опоры Оборудование: 1) наклонная призма с отвесом. Продемонстрируйте устойчивость тела, имеющего площадь опоры. Используйте для этого наклонную призму с отвесом (рис. 7). Рис. 7 Опыт 8. Сложение сил, действующих под углом друг к другу Оборудование: 1) два динамометра демонстрационных, 2) набор грузов, 3) нить, 4) два универсальных штатива. Собирают установку (рис. 8). Вставив крючок от демонстрационного груза в одну из петель, сделанных на нити, соединяющей динамометры, поворачивают динамометры так, чтобы их стержни совпали с направлением нитей. Измерив угол, образованный нитями, чертят на доске векторы действующих сил и определяют равнодействующую силу. Рис. 8 35 Соединяют концы векторов всех трех сил. Полученная фигура является параллелограммом. Анализируя выполненное, делают вывод, что сила – величина векторная, а действующие на тело силы складываются геометрически. Опыт 9. Виды упругих деформаций Оборудование: 1) прибор для демонстрации упругих деформаций. Для демонстрации растяжения пластину берут двумя руками за концы и растягивают (рис. 9). Рис. 9.1 При этом учащиеся наблюдают удлинение пластины в горизонтальном направлении и некоторое поперечное сжатие – в вертикальном. Форма клеток на пластине также изменяется. Рис. 9.2 Опыт 10. Демонстрация поперечного сжатия Оборудование: 1) прибор для демонстрации упругих деформаций, 2) резиновый жгут с шайбами из фанеры. Для демонстрации толстый резиновый жгут с насажанными фанерными шайбами, которые удерживаются трением, располагают вертикально и растягивают: все шайбы падают (рис. 10). Рис. 10 Опыт 11. Различные положения равновесия шара Оборудование: 1) шар, 2) прибор для демонстрации различных положений равновесия. Рис. 11 36 Проведите опыты для случая различных положений равновесия шара на установке (рис. 11). Сделайте необходимый вывод. V. ДАВЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ Для допуска к работе необходимо знать: понятие давления; механизм передачи давления жидкостями, газами и твердыми телами; формулу зависимости давления от глубины; закон сообщающихся сосудов; понятие свободной поверхности жидкостей; формулу архимедовой силы; условие плавания тел; природу атмосферного давления; закон Паскаля; предмет изучения гидростатики. Опыт 1. Давление твердого тела на опору Оборудование: 1) кювета с песком, 2) столик самодельный с четырьмя ножками в виде гвоздей, 3) гиря 1 кг, 4) набор грузов. До урока в кювету насыпают влажный песок и хорошо выравнивают поверхность. Гвозди, пробитые по углам заранее изготовленного из дерева столика, одинаково выступают как сверху, так и снизу. Опыт демонстрируют в такой последовательности. Сначала располагают на поверхности песка столик, не нагружая его, так, чтобы шляпки гвоздей оказались внизу. Столик почти не погружается в песок. На поверхность столика устанавливают гирю массой 1 кг (рис. 1). Благодаря увеличению силы давления ножки столика незначительно погружаются в песок, и он не каРис. 1 сается его поверхности. Вновь выравнивают поверхность песка, перевертывают столик шляпками вверх и повторяют опыт. Благодаря уменьшению площади опоры столик, нагруженный такой же гирей в 1 кг, полностью погружается в песок. На основании проделанных опытов приходят к выводу: результат действия силы давления на опору зависит от величины силы и от площади поверхности, на которую эта сила действует. Силу давления, действующую на единицу площади опоры, называют давлением. 37 Опыт 2. Передача давления жидкостями Оборудование: Рис. 2 1) шар Паскаля, 2) кружка литровая с водой. Отвинчивают шар от цилиндра и выдвигают поршень со штоком до отказа. Затем в цилиндр наливают воду и снова привинчивают шар. Расположив прибор над кюветой, как показано на рисунке 2, медленно вдвигают поршень. Показывают, что струйки воды выбиваются из отверстия шара по всем направлениям на одинаковое расстояние. Это свидетельствует об одинаковой скорости истечения воды из всех отверстий, т.е. об одинаковом давлении во всех местах шара. Опыт 3. Устройство и принцип действия уровня Оборудование: уровень демонстрационный. Демонстрационный уровень, удобный для данного опыта, представляет собой изогнутую трубку, запаянную с одного конца; другой конец закрыт резиновой Рис. 3 пробкой (рис. 3). Трубка уложена в стойки основания, одна сторона которого может с помощью винта немного подниматься или опускаться, чтобы получить необходимый наклон. На середине трубки надето тонкое резиновое кольцо, а у конца, закрытого пробкой, поставлена черточка. Кольцо служит для наблюдения за положением воздушного пузырька, а черточка является меткой, до которой следует наливать воду в трубку. Опыт состоит в следующем. Наливают в трубку воду, покрашенную предварительно флюоресцином или цветными чернилами, и следят за тем, чтобы уровень доходил до отметки. После этого резиновой пробкой плотно закрывают трубку и аккуратно укладывают ее в стойки основания. Устанавливают демонстрационный уровень на горизонтально расположенной подставке или непосредственно на демонстрационном столе. Считая, что поверхность, на которой стоит уровень, горизонтальна, показывают, что незначительный наклон подготовленного таким образом уровня влечет за собой смещение пузырька в ту или иную сторону. 38 Опыт 4. Устройство и действие гидравлического пресса Оборудование: 1) гидравлический пресс, 2) приспособление для сгибания, 3) брусок деревянный, 4) паспорт гидравлического пресса. Перед демонстрацией учитель делает на доске схематический чертеж гидропресса с манометром и предохранительным клапаном. Опыт начинается с сопоставления основных частей пресса на приборе (рис. 4) с их схематическими изображениями на доске. Называя отдельные части прибора и их назначение, рассказывают, как устроен гидравлический пресс и как взаимодействуют Рис. 4 его отдельные части между собой. Поднимая и опуская несколько раз рукоятку, выявляют путь масла от бочки до большого цилиндра. В приборе предусмотрено два защитных устройства, предохраняющих прибор от разрушения: манометр с красной чертой, показывающий предельное допустимое давление в прессе, и предохранительный клапан, который автоматически открывается в случае превышения допустимого давления. Напоминают учащимся, что давление в цилиндрах гидропресса одинаково. Выигрыш в силе получают за счет разницы площадей большого и малого поршней. Во сколько раз площадь большого цилиндра больше площади малого, во столько раз меньшую силу надо приложить к рукоятке для создания необходимого давления в большом поршне. Чтобы дать учащимся возможность увидеть действие прибора и воспринять размеры действующей силы, надо установить на приборе приспособление для сгибания и разрушить деревянный брусок шириной 30–40 мм и толщиной порядка 25–30 мм. Брусок укладывают в прибор так, чтобы сгибание и разрушение проходило поперек волокон. С помощью рукоятки накачивают масло в большой цилиндр. Обращают внимание учащихся на перемещение стрелки манометра. Через некоторое время, когда стрелка манометра будет показывать 35–40 атмосфер, брусок разрушается. На этом демонстрация заканчивается. 39 Опыт 5. Сила давления жидкости на дно сосуда Оборудование: 1) стеклянный цилиндр с отпадающим дном, 2) банка стеклянная, 3) кювета, 4) экран настольный белый, 5) стакан с подкрашенной водой. Прибор для данной демонстрации представляет собой стеклянный толстостенный цилиндр с отпадающим дном, в виде круглой пластины с привязанной в центре нитью. Опыт состоит в следующем. Натягивают нить и прижимают пластинку к нижней пришлифованной части цилиндра. Опускают цилиндр с прижатым донышком в стеклянную банку с чистой водой (рис. 5). Нить отпускают и обращают внимание учащихся на то, что теперь донышко поддерживается давлением жидкости, направленным снизу Рис. 5 вверх, и не отпадает. Для определения величины силы давления начинают подливать подкрашенную воду в цилиндр, как показано на рисунке 5, причем окраска помогает здесь следить за уровнем воды в цилиндре. Как только цилиндр наполнится водой до уровня воды в банке, сила давления жидкости извне уравновесится весом столба жидкости в цилиндре и донышко отпадет. За установкой опыта следует расположить белый экран, тогда отчетливее будут видны уровни жидкости и легче заметить их почти полное совпадение в момент, когда отпадает донышко от цилиндра. Опыт 6. Сила давления жидкости на дно сосуда не зависит от формы сосуда Оборудование: Рис. 6 40 1) прибор Паскаля, 2) сосуд для слива воды, 3) стакан с подкрашенной водой. Прибор для данного опыта (рис. 6) состоит из основания, на котором укреплена кольцеобразная оправа с резьбой. Эта оправа, открытая сверху, затянута снизу тонкой резиновой пленкой, опирающейся на круглую пластинку, соединенную рычагом с легкоподвижной стрелкой. К прибору прилагаются четыре сосуда разной формы и объема, с одинаковой площадью основания. Каждый сосуд легко устанавливается на приборе при помощи имеющейся резьбы. Для демонстрации ввинчивают в оправу сначала цилиндрический сосуд и наливают в него воду на высоту ниже верхней кромки на 2–2,5 см. Уровень воды в сосуде замечают перемещающимся на стержне указателем, а место на шкале, где остановилась стрелка, – хорошо заметным издали «гусариком». После этого через сливной кран выливают воду и вместо цилиндрического сосуда устанавливают другой сосуд, например, расширяющийся кверху, затем третий и четвертый. Повторяя опыт, убеждаются в том, что каждый раз, наливая воду до уровня, отмеченного указателем, воды приходится брать значительно больше или меньше, чем для цилиндрического сосуда, а стрелка всегда останавливается у «гусарика». В этом и заключается «парадокс» Паскаля. Перед опытом прибор необходимо тщательно проверить. В первую очередь следует осмотреть резиновую пленку, герметичность ее крепления к оправе, эластичность и упругость. Со временем пленка стареет, теряет свои свойства, и тогда ее необходимо заменить свежей. Далее просматривают все подвижные соединения, начиная от круглой пластинки, на которую давит резиновая пленка, и кончая стрелкой. Эти соединения надо аккуратно протереть и смазать тонким слоем машинного масла. В исправном приборе при наполнении сосуда стрелка должна перемещаться плавно, легко отзываясь на небольшое изменение уровня воды. Опыт 7. Давление жидкости на стенки сосуда Оборудование: 1) цилиндр с отверстиями, 2) кювета, 3) липкая лента (изолента), 4) кружка с водой. Установка для проведения опыта показана на рисунке 7. Перед опытом все отверстия цилиндра заклеивают сплошной полоской липкой ленты. Цилиндр наполняют водой и располагают на краю кюветы. Резким движением отрывают ленту. Обращают внимание учащихся на то, то чем ниже отверстие в цилиндре, Рис. 7 тем дальше вытекает из него струя. Пройденный путь для каждой струйки воды определяется ее начальной скоростью, которая больше там, где больше сила, являющаяся причиной движения. Так как все отверстия имеют одинаковый диаметр, то там, где больше сила, присутствует большее давление. 41 Опыт 8. Равновесие жидкости в сообщающихся сосудах Оборудование: 1) сообщающиеся сосуды, 2) резиновая трубка со стеклянным наконечником и воронкой, 3) кювета, 4) химический стакан, 5) экран настольный белый, 6) линейка измерительная. Сначала показывают опыт с двумя сообщающимися сосудами в виде стеклянной трубки и воронки, соединенных между собой резиновой трубкой, и устанавливают, что однородная жидкость располагается на одном уровне. Затем переходят к демонстрационному прибору, который представляет собой четыре-пять стеклянных трубок различной формы и различного сечения, соединенных горизонтальной Рис. 8 трубкой одного сечения (рис. 8). Чтобы показать равновесие однородной жидкости в этих трубках, наливают в прибор через широкую трубку воду, слегка подкрашенную фуксином или каким-либо другим красителем. Воды берут столько, чтобы она поднялась немного выше половины высоты вертикальных трубок. За прибором ставят белый экран и обращают внимание учащихся на уровни жидкости, которые во всех трубках располагаются на одной горизонтальной прямой. Опыт 9. Устройство и действие фонтана Оборудование: 1) штатив универсальный, 2) воронка, 3) резиновая трубка со стеклянным наконечником, 4) химический стакан, 5) кювета. Собирают установку в кювете. Освобождают наконечник из лапки штатива и поднимают его вместе со шлангом несколько выше воронки (рис. 9). Наливают в воронку воду. Затем медленно опускают наконечник и показывают, что когда его верхний край окажется немного ниже уровня воды в воронке, вода начнет выливаться из отверстия наконечника. Опускают наконечник вниз и зажимают в лапку штатива. Наблюдают, как вытекающая струя начинает бить из отверстия и поднимается вверх почти до уровня воды в воронке. 42 Рис. 9 Опыт 10. Подъем воды в трубке за поршнем Оборудование: 1) трубка стеклянная с поршнем от шара Паскаля, 2) банка стеклянная или кристаллизатор с подкрашенной водой, 3) ящик-подставка. Для этого опыта применяется стеклянная трубка с поршнем от шара Паскаля. Перед демонстрацией шар от прибора отвинчивают и в класс не выносят. Поршень предварительно смачивают водой, чтобы он плотно прилегал к стенкам трубки и не пропускал воздуха. Опыт демонстрируют так. Открытый конец трубки, к которому подведен поршень, погружают в воду на 3–4 см (рис. 10), затем медленно поднимают поршень. Обращают внимание учащихся на то, что вода под действием внешнего атмосферного Рис. 10 давления также поднимается вверх за поршнем. Чтобы улучшить видимость, кристаллизатор следует поставить на ящик-подставку, воду в банке слегка подкрасить и показывать опыт на белом фоне. Опыт 11. Фонтан в разреженном пространстве Оборудование: 1) колба с резиновой пробкой и двумя трубками, 2) насос ручной, 3) штатив универсальный, 4) сосуд с водой, 5) два резиновых патрубка, 6) винтовой зажим. Прибор для демонстрации изготавливают из толстостенной колбы. Плотно затыкают ее резиновой пробкой, сквозь которую пропускают две стеклянных трубки. Одна из трубок имеет узкий наконечник, расположенный внутри колбы на расстоянии пяти сантиметров от пробки. Резиновый патрубок с винтовым зажимом соединяют с другим концом этой трубки и помещают в сосуд с водой (рис. 11). Другая трубка, предназначенная для откачивания воздуха из колбы, соединяется таким же патрубком с ручным насосом. В начале опыта перекрывают зажим патрубка, опущенного в воду, а с помощью другого откачивают воздух. Рис. 11 43 После достижения необходимого разряжения, патрубок перегибают. Отсоединяют насос и открывают зажим. Благодаря атмосферному давлению вода будет с силой вгоняться через узкое отверстие внутрь колбы, образуя фонтан. Чтобы этот опыт с фонтаном проходил удачно, надо заранее подобрать число движений поршня насоса для получения необходимого эффекта. Опыт 12. Действия ливера и пипетки Оборудование: 1) банка стеклянная с подкрашенной водой, 2) ливер и пипетка. Чтобы показать действие ливера (рис. 12), опускают его в стеклянную банку с подкрашенной водой. Сообщают учащимся, что при этом вода в трубке и банке находится на одном уровне. Далее закрывают пальцем верхнее отверстие ливера и поднимают его вверх. Объясняют, что вода удерживается в ливере вследствие атмосферного давления. Затем приоткрывают верхнее отверстие трубки, и вода из него выливается. В процессе объяснения действия ливера надо показать, что с помощью него можно Рис. 12 брать пробу жидкости с различной глубины. Для демонстрации действия пипетки сжимают пальцем резиновую трубку, чтобы удалить из прибора некоторое количество воздуха. Опустив конец пипетки в жидкость, отпускают руку. Благодаря упругости, форма резиновой трубки восстанавливается. Давление воздуха в пипетке уменьшается, и в нее входит некоторое количество жидкости. Поднимают пипетку с водой над банкой и, медленно сжимая пальцами резиновую трубку, показывают, как жидкость выливается равными порциями в виде капель. Опыт 13. Сила атмосферного давления Оборудование: 1) магдебургские тарелки, 2) насос ручной, 3) штатив универсальный, 4) гиря, 5) резиновая трубка к насосу. Силу атмосферного давления обычно показывают с помощью магдебургских тарелок. Перед опытом пришлифованные поверхности 44 прибора протирают тряпкой и смазывают тонким слоем вазелина. Затем собирают установку, как показано на рисунке 13, но только без гири. Тарелки необходимо связать друг с другом прочным шнуром, для того чтобы во время опыта они не падали на стол. Нередки случаи, когда в результате такого падения шлифованным поверхностям наносятся повреждения, и прибор приходит в негодность. Ниппель крана соединяют толстостенной резиновой трубкой с ручным насосом. Придерживая нижнюю тарелку рукой, откачивают воздух. После двух-трех движений поршня ее отпускают. Сделав еще несколько откачивающих движений, кран закрывают и отсоединяют насос. Подвешивают к нижней тарелке гирю в 5–10 кг. Показывают, что гиря не может разъединить тарелок, так как ее вес меньше силы атмосферного давления, которая их сдавливает. Затем открывают кран. Воздух поступает внутрь прибора, и нижняя Рис. 13 тарелка с гирей, оторвавшись, повисает на шнуре. Опыт 14. Устройство и действие ручного воздушного насоса Оборудование: 1) насос ручной, 2) груша резиновая с самодельным Клапаном. Ручной воздушный насос, которым часто пользуются в физическом кабинете (рис. 14), имеет клапаны в виде резиновых колпачков. Принцип работы такого рода клапанов следует объяснить учащимся прежде, чем приступить к изучению устройства и действия насоса. Для этого берут небольшой (8–10 см) отрезок резиновой трубки и делают в ней бритвой прорезь (щель) длиной 1,5–2 см. Затем с одного конца плотно закрывают отрезок какой-либо пробкой, а другим концом надевают на резиновую грушу, как показано на рисунке. Быстро сжимают грушу в руке. Часть воздуРис. 14 ха при этом выйдет через прорезь наружу, и груша останется в смятом состоянии после того, как ее отпустят. Это объясняется тем, что внешнее давление теперь превышает внутреннее, прорезь плотно сжимается и вышедший воздух не может пройти обратно. 45 Таким образом, становится ясно, что прорезь в клапане может раскрываться и пропускать воздух только под действием давления изнутри. Далее вычерчивают на классной доске схему прибора, показанную на рисунке, и объясняют, что когда поршень выдвигается, то воздух в насос может входить только через клапан а. При обратном движении воздух из насоса может выйти наружу только через клапан б. Таким образом, ручной насос представляет собой комбинированный прибор: он позволяет получить разрежение и нагнетание воздуха в зависимости от того, каким ниппелем пользуются. Опыт 15. Действие жидкости на погруженное в нее тело Оборудование: 1) банка стеклянная, 2) лабораторный динамометр, к которому привязано тело (кусок фарфора, каменного угля и др.). К лабораторному динамометру подвешивают тело над демонстрационным столом. Обращают внимание учащихся на показание динамометра, растянутого под действием веса тела (рис. 15а). Затем тело опускают в банку с водой. Показывают, как значительно сократилось а б растяжение пружины динамометра (рис. 15б). Объясняют, что за счет разницы давРис. 15 лений внутри жидкости тело, погруженное в жидкость, испытывает давление снизу вверх, благодаря чему уменьшается сила, растягивающая пружину динамометра. Опыт получается весьма выразительным, когда выталкивающая из воды сила равна примерно половине и даже более половины веса тела, поэтому для опыта желательно брать тела (вещества), плотность которых примерно в два раза больше плотности воды. Опыт можно провести ни только с лабораторным динамометром, но и с пружиной от ведерка Архимеда, которая легко снимается с прибора. Опыт 16. Демонстрация действия архимедовой силы Оборудование: 1) ведерко Архимеда, 2) штатив универсальный, 3) сосуд с отливом, 4) ящик-подставка, 5) химический стакан, 6) кювета. 46 Прибор ведерко Архимеда (рис. 16.1) состоит из пружины 3, укрепленной в железной раме и служащей динамометром, ведерка с дужкой и цилиндрического груза 2, по своему объему равного вместимости ведерка 1. За растяжением пружины следят по диску 4, который укреплен внизу пружины и служит указателем. Для отметки того или иного положения указателя имеется передвижная стрелка 5, ее перемещают по небольшой пластинке, скрепленной с рамой динамометра. Сначала показывают, что емкость ведерка в точности соответствует объему груза в виде цилиндра. Для этого один-два раза вкладывают цилиндр в ведерко, обращая внимание на то, что между ними нет зазора и что цилиндр заполняет Рис. 16.1 ведерко до его верхнего края. К пружине динамометра 1, зажатого в лапку штатива, подвешивают за дужку ведерко 2, а за ним груз 3, как показано на рисунке 16.2а. Обращают внимание учащихся на величину растяжения пружины, т.е. на положение диска-указателя, с которым совмещают передвижную стрелку. Всю установку располагают в кювете. В сосуд с отливом 4 наливают воду до тех пор, пока она не польется из носика. Размещают сосуд под грузом, рядом с ним устанавливают пустой стакан 5 для сбора вытекающей воды (рис. 16.2б). Погружают цилиндр в воду и наблюдают, как вытесненная им вода собирается в заранее подготовленном стакане. При полном его погружении указатель растяжения пружины переместится вверх и расположится выше стрелки. Рис. 16.2 Объясняют учащимся причину изменения положения указателя. Выталкивающая цилиндр сила из-за разницы давлений внутри жидкости будет направлена вверх, способствуя сокращению пружины. Для определения величины выталкивающей силы жидкости берут стакан 47 с вытесненной водой и медленно наливают ее в ведерко. При этом указатель перемещается на прежнее место, т.е. к стрелке, а ведерко полностью заполняется водой. Объясняют, что в этом случае вес воды в ведерке равен выталкивающей силе: Fа = mвg = вVв g, так как объем воды в ведерке равен объему погруженного тела (Vв = Vт), то Fа = вVт g . Вывод. Сила давления жидкости на погруженное в нее тело равна весу жидкости в объеме этого тела и является произведением плотности жидкости на объем погруженного тела и на ускорение свободного падения. Опыт 17. Выяснение условий плавания тел Оборудование: картезианский водолаз. Прибор (рис. 17) состоит из стеклянного цилиндра с водой, в котором плавает небольшой полый поплавок. Цилиндр сверху затянут резиновой пленкой. Поплавок представляет собой пробирку, закрытую резиновой пробкой, сквозь которую пропущена небольшая стеклянная трубочка. В обычном состоянии поплавок заполнен водой так, что он плавает в цилиндре на поверхности. Если пальцем нажать на резиновую пленку прибора, то давление в цилиндре увеличивается. Оно передается через жидкость в поплавок, в результате чего объем воздуха в нем уменьшается и внутрь входит некоторое количество воды. Поплавок вместе с вошедшей водой становится тяжелее и начинает медленно Рис. 17 опускаться на дно. Отпускают руку, и в цилиндре восстанавливается прежнее давление. Воздух в поплавке расширяется и вытесняет избыточное количество жидкости. Поплавок становится легче и вновь всплывает вверх. Медленно увеличивая (или уменьшая) нажим на пленку, можно добиться такого давления в цилиндре, когда поплавок будет плавать внутри жидкости. Опыт 18. Измерение давления внутри жидкости манометром Оборудование: 48 1) манометр открытый, 2) прибор для демонстрации давления внутри жидкости, 3) сосуд с водой, 4) ящик-подставка. Цель опыта состоит в том, чтобы показать наличие давления на площадку, находящуюся внутри жидкости, и доказать, что величина этого давления не зависит от положения площадки, а изменяется лишь от глубины ее погружения. Для демонстрации опыта пользуются прибором, представленным на рисунке 18. Соединяют ниппель капсюля 1 посредством резиновой трубки 2 с открытым водяным манометром (рис. 19). Показывают, что жидкость в обоих коленах манометра находится на одном уровне. Затем, слегка нажимая пальцем на внешнюю Рис. 18 поверхность резиновой пленки, обращают внимание учащихся на то, как изменяются уровни жидкостей в манометре. Капсюль при этом не следует долго держать в руках, чтобы не нагреть воздух в нем и не изменить показания манометра за счет нагревания. Рис. 19 Опускают капсюль в банку с водой и показывают, что давление на резиновую пленку, наблюдаемое по манометру, увеличивается с глубиной погружения. После этого посредством втулки с пружиной, которая надевается на кромку банки, устанавливают прибор на некоторой определенной глубине. С помощью проволочного крючка поворачивают скобу, на которой укреплен капсюль, вокруг горизонтальной оси. Обращают внимание учащихся на то, что на данном уровне погружения давление внутри жидкости не зависит от расположения резиновой пленки, и показания манометра остаются постоянными. 49 VI. МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Для выполнения работы необходимо знать: формулу механической работы; понятие импульса; формулу потенциальной энергии сжатой пружины; формулу потенциальной энергии поднятого над землей тела; формулу кинетической энергии; закон сохранения импульса; закон сохранения энергии; понятие замкнутой системы; схему рычага первого и второго рода; зависимость давление жидкости или газа от скорости движения; «золотое правило» механики; понятие статического динамического и полного давления. Опыт 1. Определение работы при подъеме груза и перемещении его по горизонтальной плоскости Оборудование: 1) трибометр демонстрационный, 2) динамометр трубчатый, 3) метр демонстрационный, 4) штатив универсальный, 5) брусок. В лапке штатива укрепляют вертикально демонстрационный метр так, чтобы его конец с нулевым делением касался крышки стола. К крючку динамометра, который держат в руке, подвешивают деревянный брусок и измеряют его вес. Затем брусок вместе с динамометром располагают сбоку демонстрационного метра и равномерно поднимают на высоту 60–70 см (рис. 1). Вычисляют величину произведенной работы, выражая ее в джоулях. Подчеркивают, что эта работа была совершена по преодолению силы тяжести. После этого кладут брусок на трибометр и с помощью динамометра перемещают брусок равномерно на такое же расстояние, как в первом случае. Во время движения замечают показания динаРис. 1 мометра. Зная величину действующей силы и пройденный путь, снова вычисляют работу, выражая ее в джоулях. Обращают внимание, что работа во втором случае была совершена по пре50 одолению силы трения скольжения. Сравнивая результаты двух измерений, приходят к выводу: работа, совершенная при подъеме груза, значительно больше работы, затраченной на перемещение этого груза на такое же расстояние по горизонтальной плоскости. Несмотря на простоту описанного опыта, он, благодаря наглядности и конкретности помогает учащимся получить правильное представление о работе и способе ее измерения. Опыт 2. Равенство работ на рычаге Оборудование: 1) динамометр трубчатый на 10 Н, 2) рычаг демонстрационный, 3) набор грузов с двумя крючками, 4) метр демонстрационный, 5) штатив универсальный. Демонстрационный рычаг подвешивают на металлической оси, укрепленной в муфте штатива. Перемещая уравнительные грузы на концах, приводят рычаг в горизонтальное положение. По обе стороны от точки опоры подвешивают к рычагу на проволочных петельках грузы так, чтобы рычаг остался в равновесии (рис. 2.1). Затем определяют величину, направление и плечо каждой силы. Результаты измерений записывают на Рис. 2.1 доске. Отмечают, что у данного рычага точки приложения сил находятся по разные стороны от точки опоры, силы, действующие на рычаг, направлены в одну сторону. Опыт повторяют несколько раз, изменяя величины сил и их плечи. Анализируя результаты опытов, устанавливают, что рычаг находится в равновесии тогда, когда действующие на него силы обратно пропорциональны плечам. Затем собирают установку по рисунку 2.2 и демонстрируют равновесие сил на рычаге другого рода. Опыт также повторяют несколько раз, изРис. 2.2 меняя вес грузов и точки приложения сил. Устанавливают, что у этого рычага силы приложены по одну сторону от опоры и направлены в противоположные стороны, но при равновесии действующие силы обратно пропорциональны их плечам. Далее демонстрируют равенство работ на рычаге. 51 Берут рычаг и уравновешивают его в горизонтальном положении, как и в первом случае. С помощью демонстрационного метра фиксируют начальное положение точек, к которым приложены силы. При этом начальную высоту расположения рычага над крышкой стола желательно подобрать так, чтобы точки приложения сил располагались на одном уровне с чертой, отмечающей одно из дециметровых делений шкалы метра. Затем отклоняют рычаг на некоторый угол в вертикальной плоскости и измеряют расстояния, на которые сместились точки приложения сил (рис. 2.3). Вычисляют работы, совершенные обеими силами, и убеждаются в равенстве этих работ. Опыт повторяют, изменив угол наклона рычага. В результате убеждаются, что рычаг не дает выигрыРис. 2.3 ша в работе. Пользуясь рычагом, можно выиграть в силе или в расстоянии, причем, во сколько раз выигрывают в силе, во столько же раз проигрывают в расстоянии. Опыт 3. Равенство работ на подвижном блоке Оборудование: 1) метр демонстрационный, 2) динамометр, 3) блок неподвижный на стержне, 4) блок подвижный, 5) нить, 6) грузы с двумя крючками, 7) штатив универсальный. Вначале демонстрируют изменение направления силы при помощи неподвижного блока. Для этого блок укрепляют на верхнем конце стойки штатива. Через блок перебрасывают нить. К одному концу нити подвешивают несколько грузов, а ко второму прицепляют динамометр (рис. 3.1). Берут динамометр в руку и натягивают нить так, чтобы грузы повисли на нити. Поясняют, что неподвижный блок можно рассматривать как равноплечий Рис. 3.1 рычаг, у которого плечи сил равны радиусу блока. Меняя угол наклона нити к вертикали, показывают, что величина силы, действующей на динамометр, равна весу груза и остается неизменной при любом направлении нити. Делают вывод: неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но позволяет изменять направление действия силы. 52 Далее демонстрируют равенство работ на подвижном блоке. Установку собирают, как показано на рис. 3.2. При сборке обращают внимание на то, чтобы все три отрезка нити были параллельны друг другу. К свободному концу нити прикрепляют динамометр. По шкале демонстрационного метра замечают начальные положения подвижного блока с грузами и динамометра. Затем динамометр перемещают равномерно на некоторое расстояние вниз. При этом обращают внимание на то, что показания динамометра остаются все время прежними, а поРис. 3.2 движный блок с грузами поднимается только на половину того расстояния, на которое опустился динамометр. Вычисляют работы, совершенные обеими силами, и убеждаются, что эти работы равны между собой. На основании проведенных опытов делают вывод, что подвижный блок, как и рычаг, не дает выигрыша в работе. Опыт 4. Работа сил на наклонной плоскости Оборудование: 1) динамометр трубчатый на 2,5 Н, 2) метр демонстрационный, 3) трибометр демонстрационный, 4) каток, 5) брусок, 4) штатив универсальный. Трибометр укрепляют в штативе наклонно, как это показано на рисунке 4. Кладут каток на трибометр и, перемещая его равномерно вверх по наклонной плоскости, измеряя силу тяги с помощью трубчатого динамометра и длину пройденного пути, вычисляют работу. Затем подвешивают каток к динамометру и непосредственно поднимают его Рис. 4 на ту же высоту. Наблюдая за показаниями динамометра, измеряют высоту с помощью демонстрационного метра, вычисляют работу и сравнивают ее значение с предыдущим. Опыт повторяют, изменив угол наклона доски. На основании проделанных опытов устанавливают, что наклонная плоскость дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько ее длина больше высоты. Трение при этом не учитывают. Путем расчетов убеждаются, что рабо53 та, совершенная при движении катка по наклонной плоскости, равна работе при непосредственном подъеме катка на ту же высоту. Аналогичный опыт производят с бруском. Обращают внимание учащихся на то, что в этом случае из-за наличия заметной силы трения выигрыш в силе уменьшается, а величина работы, совершенной при движении бруска по наклонной плоскости, оказывается большей, чем при непосредственном подъеме бруска на ту же высоту. Опыт 5. Кинетическая энергия скатывающегося шара Оборудование: 1) шары металлические разной массы – 2 шт., 2) металлические уголки – 2 шт., 3) цилиндр алюминиевый, 4) метр демонстрационный, 6) штатив универсальный. Собирают установку из двух металлических уголков, один из которых располагают на столе горизонтально, а второй приставляют к концу первого и укрепляют в лапке штаРис. 5 тива наклонно (рис. 5). Вплотную к горизонтальному уголку устанавливают демонстрационный метр так, чтобы его нулевое деление совпадало с нижним концом наклонного уголка, где находится алюминиевый цилиндр. На середину наклонного желоба устанавливают стальной шарик. Отпустив шарик, наблюдают, как он, скатившись с желоба и ударившись об алюминиевый цилиндр, передвигает последний на некоторое расстояние, совершая при этом механическую работу по преодолению силы трения. Опыт повторяют несколько раз. Обращают внимание на то, что цилиндр перемещается каждый раз примерно на одно и то же расстояние, а скорость шарика в результате совершения работы уменьшается до нуля. Следовательно, движущийся шарик совершает работу за счет изменения своей кинетической энергии. Далее выясняют, от чего зависит величина кинетической энергии. Для этого сначала с середины наклонного желоба пускают шарик большей массы и, сравнивая полученный результат с первым опытом, убеждаются, что кинетическая энергия зависит от массы движущегося тела. Пуская шарик с разной высоты, тем самым изменяют его скорость в момент удара о цилиндр. Замечая при этом расстояние, на которое каждый раз перемещается цилиндр, устанавливают, что чем больше скорость шарика, тем больше совершенная им работа. Обобщая наблюдения, приходят к выводу, что кинетическая энергия движущегося тела зависит от его массы и скорости. 54 Опыт 6. Переход кинетической энергии в потенциальную и обратно Оборудование: маятник Максвелла. Многократный переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно демонстрируют с помощью маятника Максвелла. Маятник Максвелла подвешивают на нерастяжимой нити к металлическому стержню с двумя отверстиями (рис. 6). При этом соблюдают строгую горизонтальность оси маятника и стержня, на котором он подвешен. После этого вращают равномерно обеими руками ось маятника и накручивают на нее нить в один слой до тех пор, пока маРис. 6 ятник не поднимется до стержня. Опускаясь вниз, маятник вращается и раскручивает нити. По мере опускания потенциальная энергия маятника уменьшается, а кинетическая энергия возрастает. В крайнем нижнем положении кинетическая энергия достигает наибольшего значения, поэтому маятник не останавливается, а, продолжая вращаться по инерции, снова поднимается вверх. При этом кинетическая энергия маятника вновь превращается в потенциальную. Поднявшись вверх, маятник снова начинает опускаться вниз и так до полной остановки. Опыт 7. Потенциальная энергия поднятого тела Оборудование: 1) трибометр демонстрационный, 2) брусок, 3) ведерко с песком. На конце стола устанавливают демонстрационный трибометр с бруском, как показано на рисунке 7. В ведерко насыпают столько песка, чтобы брусок смог равноРис. 7 мерно скользить вдоль трибометра. Поднимают ведерко на некоторую высоту и показывают, что в этом состоянии оно обладает способностью совершить некоторую работу. Для этого наблюдают, как ведерко, опускаясь, перемещает брусок вдоль трибометра, совершая работу по преодолению силы трения. Опыт повторяют, показывая зависимость совершенной работы от высоты поднятого тела и его веса. 55 Опыт 8. Потенциальная энергия сжатой пружины Оборудование: 1) пружина от ведерка Архимеда, 2) трибометр Демонстрационный, 3) брусок, 4) две гири 1 кг и 2 кг. Пружину от ведерка Архимеда подвешивают к штативу и нагружают гирей в 1 кг. Отпустив гирю, наблюдают растяжение пружины. В нижнем положении гирю останавливают, не позволяя ей совершать колебания. Поясняют, что сила тяжести, опуская гирю, совершила работу по растяжению пружины. Оттягивают гирю вниз и отпускают. Пружина возвращается в исходное положение, совершая работу по поднятию гири, против силы тяжести. Деревянный брусок кладут на доску трибометра и нагружают гирей в 2 кг. За крючок бруска зацепляют пружину от ведерка Архимеда. Придерживая брусок с гирей рукой, растягивают пружину. Затем опускают брусок. Пружина, сжимаясь, медленно перемещает брусок с гирей по трибометру (рис. 8), совершая работу против силы трения. Рис. 8 Повторяя опыт, выясня-ют, что работа, которую совершает пружина, зависит от ее первоначального растяжения, т.е. от взаимного положения ее витков. Делают вывод, что деформированная пружина обладает определенной энергией. Величина энергии зависит от взаимного расположения частей одного и того же тела (витков пружины), поэтому ее называют энергией положения или потенциальной энергией. Опыт 9. Реактивное движение Оборудование: 56 1) воронка стеклянная, 2) трубка резиновая, 3) наконечник стеклянный Г-образный, 4) штатив универсальный, 5) кювета. Рис. 9 Стеклянную воронку с резиновой трубкой и Г-образным наконечником вставляют в кольцо штатива и подставляют под наконечник кювету (рис. 9). Наливая в воронку воду, обращают внимание учащихся на отклонение трубки в сторону, противоположную направлению вытекания воды. Если позволяют условия, то лучше вместо воронки присоединить резиновую трубку к водопроводному крану. Это даст возможность изменять скорость потока воды, от чего будет изменяться и угол отклонения трубки. Опыт 10. Устройство и действие водоструйного насоса Оборудование: 1) модель водоструйного насоса, 2) проекционный аппарат, 3) склянка с водой емкостью 2 л с тубусом внизу, 4) манометр открытый, 5) подъемный столик, 6) штатив универсальный, 7) три резиновые трубки, 8) кювета для стока воды. Модель водоструйного насоса, предназначенная для учебных целей, выполнена из прозрачной пластинки органического стекла. Внутри пластинки имеется круглая плоская камера, соединенная с тремя ниппелями. Входной ниппель заканчивается в камере наконечником с узким отверстием. Против него расположен выходной ниппель с более широким каналом, а сбоку – ниппель для отсоса. Прибор снабжен опорным стержнем и легко закрепляется в штативе. Чтобы показать устройство и действие водоструйного насоса, собирают установку по рисунку 10. При этом тубус склянки с водой, установленной на подъемном столике, соединяют с входным клапаном водоструйного насоса посредством резиновой трубки с винтовым зажимом. На выходной ниппель надевают резиновую трубку длиной 10–15 см внутренним диаметром 4–5 мм и направляют ее в кювету для стока воды. Рис. 10 К ниппелю отсоса присоединяют открытый манометр. Открывают кран или винтовой зажим полностью и пускают воду. По манометру наблюдают за понижением давления. 57 Опыт 11. Устройство и действие пульверизатора Оборудование: 1) пульверизатор демонстрационный, 2) цилиндр для демонстрации сжимаемости воздуха, 3) подъемный столик, 4) резиновая трубка, 5) стакан с подкрашенной водой, 6) кювета для стока воды, 7) винтовой зажим. Пульверизатор для демонстрационных целей собирают по рисунку 11. Прибор состоит из двух стеклянных трубок 1 и 2, которые соединяются под прямым углом при помощи простого металлического держателя. Горизонтальная трубка, имеющая сужающийся конец, укрепляРис. 11 ется в лапке штатива. Закрепляя лапку штатива на разной высоте в стойке, можно больше или меньше погружать в воду вертикальную трубку, т.е. менять высоту поднимаемого столба жидкости. Для продувания воздуха к свободному концу горизонтальной трубки присоединяют ручной насос. При движении поршня ручного насоса возникает достаточно сильная струя воздуха, выбрасываемая из горизонтальной трубки. В результате над выступающим концом вертикальной трубки образуется пониженное давление. Вода поднимается по вертикальной трубке и распыляется на мелкие брызги. Воду в стакане следует подкрасить. Тогда разбрызгиваемая струя особенно хорошо будет выделяться на темном фоне классной доски. Успешное проведение опыта с пульверизатором зависит от правильного взаимного расположения трубок в металлическом держателе, где они закрепляются не жестко, а с достаточным трением. Опыт 12. Парение шарика в воздушной струе Оборудование: 1) воздуходувка, 2) шарик теннисный. Чтобы продемонстрировать этот опыт, устанавливают воздуходувку выходным отверстием вертикально вверх (рис. 12). Воздуходувку включают сначала не на полное число оборотов. В установившийся воздушный поток вносят шарик на некотором расстоянии от выходного отверстия воздуходувки и отпускают его. Шарик парит в воздушном потоке. 58 Демонстрацию этого опыта можно начать и несколько иначе. Не включая электродвигатель, положить шарик на решетку выходного отверстия воздуходувки. Затем включить ток и постепенно повысить напряжение. При этом скорость потока будет увеличиваться, а шарик постепенно подниматься и парить в воздухе. Далее медленно передвигают всю установку с воздуходувкой по столу. Шарик следует за потоком. Объясняют учащимся, что такое устойчивое положение шарика в воздухе создается благодаря наличию в потоке боковоРис. 12 го уменьшенного статического давления. После этого медленно наклоняют воздуходувку и наблюдают, как шарик продолжает висеть в воздухе при наклонном направлении потока. В этом случае сила тяжести уравновешивается подсасывающим действием струи потока справа и динамическим давлением слева. 59 VII. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Для допуска к работе необходимо знать: понятие «количество теплоты»; понятие теплоемкости; определение удельной теплоемкости; понятие внутренней энергии тела и способы ее изменения; понятие теплопроводности; понятие конвекции; формулу количества теплоты; виды теплопередачи; формулу зависимости линейных размеров от температуры; понятие о биметаллической пластине. Опыт 1. Неодинаковое расширение различных металлов Оборудование: 1) пластинка биметаллическая, 2) газовая горелка или спиртовка, 3) спички, 4) кружка с водой. Пластинка биметаллическая служит для демонстрации различного расширения двух разнородных металлов при одинаковом нагревании. Для этого опыта можно воспользоваться прибором (биметаллической пластиной), имеющим вид пластинки, склепанной из двух тонких полос – листовой стали и алюминия (или одной пластины из термобиметалла) (рис. 1). На одном конце прибора укреплена стрелка, являющаяся указателем, по которому наблюдают прогиб пластинки при нагревании. Пластинку зажимают в лапке штатива так, чтоРис. 1 бы указатель расположился против нулевого деления. Равномерно прогревая пластинку, опустив ее в кружку с горячей водой, показывают, как она изгибается и заставляет смещаться указатель. При нагревании или охлаждении биметаллическая пластинка изгибается в ту или другую сторону и стрелка перемещается по шкале вправо или влево. Изгиб будет направлен в сторону железа, так как алюминиевая пластинка при одинаковом нагревании удлиняется больше, чем железная. Вполне заметное отклонение стрелки от первоначального положения можно наблюдать при нагревании или охлаждении пластин на 10 °С. Прибор имеет небольшую теплоизолирующую ручку, за которую его можно держать в руке и опускать в заранее нагретую воду или зажимать в лапке штатива и нагревать каким-либо источником тепла. 60 Опыт 2. Расширение жидкостей при нагревании Оборудование: 1) две конические колбы емкостью по 250 см3, 2) две резиновые пробки, 3) две стеклянные трубки, 4) два самодельных экрана, 5) керосин, 6) подкрашенная вода, 7) емкость с горячей водой. Для опыта нужно собрать два одинаковых самодельных прибора. Взять равные по объему колбы и подобрать к ним резиновые пробки. В пробках просверлить по отверстию согласно величине наружного диаметра трубок. Затем туго вставить в отверстие каждой пробки трубку так, чтобы один ее конец, направленный внутрь колбы, не выходил из пробки. После этого одну колбу заполнить предварительно прокипяченной водой, а вторую – керосином. При заполнении надо смотреть за тем, чтобы под пробкой не оставался пузырек воздуха. На каждую из трубок следует Рис. 2 надеть бумажные экраны – отметчики (рис. 2). Для демонстрации изготовленные приборы одновременно ставят в емкость с горячей водой, обратив предварительно внимание учащихся на то, что черта, нанесенная на экраны, совпадает с начальным уровнем жидкостей в трубках обоих приборов. При нагревании в одинаковых условиях различные жидкости расширяются по-разному (керосин больше, чем вода), что наглядно видно по изменению уровней в трубках. Опыт 3. Расширение воздуха при нагревании Оборудование: 1) колба коническая, 2) пробка резиновая, 3) трубка стеклянная, 4) экран белый, 5) подкрашенная вода. Перед опытом собирают простой самодельный прибор. Для этого берут колбу и подбирают к ней резиновую пробку. В этой пробке просверливают отверстие по величине наружного диаметра стеклянной трубки. Затем туго вставляют в отверстие трубку с таким расчетом, чтобы ее конец не доходил до дна колбы на 3–4 мм, когда колба будет закрыта трубкой. После этого примерно третью часть колбы заполняют подкрашенной водой и закрывают плотно пробкой. В трубку наливают еще немного такой же подкрашенной воды, чтобы ее уровень был приблизительно на 5 см выше пробки. 61 На стеклянную трубку надевают самодельный экран-отметчик из белой плотной бумаги, на котором чертой отмечают начальный уровень воды (рис. 3). Прибор устанавливают на демонстрационном столе. Верхнюю часть колбы берут рукой и таким образом нагревают находящийся в ней воздух. Расширяясь от нагревания, воздух в колбе давит на воду и вытесняет ее, отчего уровень воды в трубке заметно повышается. Если убрать руку, то воздух постепенно будет охлаждаться и уровень воды в трубке через некоторое время придет в начальное положение. Рис. 3 Опыт 4. Различная удельная теплоемкость металлов Оборудование: 1) прибор Тиндаля, 2) кипяток. Перед опытом снимают со стойки прибора Тиндаля обойму с цилиндриками одинакового веса из различных металлов: латуни, стали и алюминия. Перевертывают ее цилиндриками вверх, следя за тем, чтобы шайбы на стержнях вошли в отверстия сбрасывающей планки и поместились между планкой и обоймой. Сдвигают планку, закрепляя стержни в этом положении. Погружают цилиндрики в жестяную ванну, прилагаемую к прибору, в которую заранее наливают кипяток. Пока цилиндрики прогреваются в воде, на стойке устанавливают подготовленную для опыта парафиновую пластинку. Ее укрепляют ребром в специальных пазах стойки, положив снизу жестяную кювету. Затем демонстрируют опыт. Нагретую кипятком обойму с цилиндриками насаживают на стойку и, сдвинув планку, сбрасывают цилиндрики на парафиновую пластинку. Цилиндрики должны стать точно посередине пластинки. Если один из цилиндриков немного сместился в сторону, его надо быстро поправить (рис. 4). Следят за тем, как цилиндрики, расплавляя парафин, постепенно погружаются вниз и останавливаются, когда их темРис. 4 пература будет ниже точки плавления парафина. Различная глубина погружения цилиндриков свидетельствует о различном количестве теплоты, отданной каждым из них при остывании на одинаковое число градусов. Принимая во внимание, что их массы, начальные и конечные температуры одинаковы, можно сделать вывод о том, что удельная теплоемкость металлов, из которых изготовлены цилиндрики, различна. 62 Рассматривая таблицу удельных теплоемкостей различных металлов, можно убедиться, что глубина погружения цилиндриков хорошо согласуется с табличными данными для соответствующих металлов: латунь [400 Дж/(кг∙°С)]; сталь [460 Дж/(кг∙°С)]; алюминий [880 Дж/(кг∙°С)]. Опыт 5. Нагревание металлической трубки трением Оборудование: 1) трубка латунная, 2) шнур, 3) эфир. Тонкостенную латунную трубку устанавливают на демонстрационном столе с помощью специального зажима. Наливают в нее 3–4 капли эфира и плотно закупоривают пробкой. Обернув трубку мягким шнуром, берут его концы в руки и быстрыми поочередными движениями, сильно натягивая шнур, натирают трубку (рис. 5). Через несколько секунд наблюдают, как под давлением паров эфира пробка с силой выРис. 5 летает вверх. Для успешного опыта пробка должна герметично закрывать трубку. Вместо эфира можно воспользоваться спиртом, но при этом потребуется более длительное натирание. Опыт 6. Воздушное огниво Оборудование: 1) воздушное огниво, 2) спички, 3) нож. Воздушное огниво представляет собой полый прозрачный цилиндр с плотно пригнанным поршнем, изготовленный из стекла или плексигласа (рис. 6). На дно прибора помещают серу от нескольких спичечных головок (не больше трех) и закрывают цилиндр поршнем. Опираются основанием прибора о стол и резким, но не очень сильным нажимом руки на головку штока вгоняют поршень внутрь цилиндра. Воздух при сжатии сильно нагревается Рис. 6 и сера воспламеняется. При демонстрации опыта бывает полезно частично затемнить класс, тогда вспышка будет особенно отчетливо видна всем учащимся. 63 Опыт 7. Теплопроводность различных тел Оборудование: 1) алюминиевый, латунный, медный и железный стержни, 2) основание от универсального штатива, 3) спиртовка или газовая горелка, 4) спички, 5) парафин. Прибор для демонстрации теплопроводности металлов, состоящий из трех различных металлических стержней, устанавливают в основание от универсального штатива (рис. 7). На одинаковых расстояниях от центра прибора в имеющиеся отверстия при помоРис. 7 щи парафина прикрепляют спички. Под шайбу, расположенную в центре прибора, размещают спиртовку или газовую горелку. Через некоторое время наблюдают, как постепенно спички одна за другой падают сначала с одного стержня, затем с другого и т.д. На основании этого делают вывод о различной теплопроводности металлов. Полученные в ходе эксперимента результаты сравнивают с табличными данными. Полезно показать еще один опыт, связанный с теплопроводностью. Металлический стержень плотно обертывают в один слой писчей бумагой, вносят в пламя спиртовки и держат в нем около минуты. Обращают внимание на то, что бумага, вопреки ожиданиям, не загорается и даже не обугливается. Повторяют этот опыт, но бумагой обертывают деревянный стержень. В этом случае она обугливается и загорается. Металл обладает хорошей теплопроводностью и не дает возможности нагреться бумаге за одну минуту до температуры воспламенения. Наоборот, дерево имеет плохую теплопроводность, поэтому бумага быстро нагревается и загорается. Опыт 8. Нагревание путем радиации Оборудование: 1) плитка электрическая лабораторная, 2) экран настольный, 3) манометр демонстрационный, 4) основание от штатива универсального, 5) трубка резиновая, 6) секундомер, 7) теплоприемник. Данный опыт можно провести с теплоприемником, соединенным с демонстрационным манометром (рис. 8). Специальный теплоприемник представляет собой круглую тонкостенную металлическую коробку. 64 Одна из плоских поверхностей коробки светлая, блестящая, другая – черная, матовая. Коробка имеет ручку и ниппель, на который надевается резиновая трубка, соединяющая ее с манометром. Действие теплоприемника основано на хорошо известном учащимся явлении – расширении воздуха при нагревании. Перед демонстрацией опыта обращают внимание учащихся на одинаковые уровни жидкости в обоих коленах манометра. Теплоприемник располагают на одном уровне с электрической плиткой на расстоянии двадцати сантиметров от нее и поворачивают его в сторону нагревателя черной поверхностью. Включив электрическую плитку, наблюдают за показаниями манометра и фиксируют их через несколько минут. Убедившись в нагревании теплоприемника, помещают между нагревателем и теплоприемником настольный экран, после этого нагревание прекращается. ОтсоедиРис. 8 няется трубка от ниппеля, и показания манометра возвращаются в исходное положение. Поворачивают прибор блестящей поверхностью к нагревателю и повторяют опыт. Убеждаются, что за то же самое время теплоприемник нагреется меньше, чем в первом случае, о чем свидетельствует разница показаний манометра. Это говорит о том, что разные поверхности теплоприемника обладают различными поглощательными способностями. Опыт 9. Изменение температуры воздуха при его расширении Оборудование: 1) толстостенная склянка с тубусом, 2) насос ручной. Для этого опыта подбирают толстостенную склянку с достаточно широким тубусом и горловиной. Тубус плотно закрывают резиновой пробкой, через нее пропускают небольшой стеклянный патрубок, который соединяют с насосом. Горловину склянки также плотно закрывают пробкой (рис. 9). Накачивают воздух в сосуд до тех пор, пока пробка Рис. 9 под давлением не вылетит с шумом вверх. Воздух будет быстро расширяться, температура – падать, что будет сопровождаться образованием паров особенно хорошо заметным всем учащимся, если перед опытом дно склянки слегка смочить водой. 65 Опыт 10. Конвекция в жидкостях и газах Оборудование: 1) прибор для демонстрации конвекции в жидкости, 2) спиртовка, 3) кристаллики марганцовокислого калия, 4) экран. Прибор, выпускаемый промышленностью специально для демонстрации конвекции жидкости, представляет собой стеклянную трубку диаметром 25 мм с открытыми концами, изогнутую в виде буквы U (рис. 10). Несколько ниже открытых концов оба колена трубки соединены между собой перемычкой – трубой такого же сечения. К прибору прилагаются две сетчатые ложечки с проволочными ручками разной длины; концы ручек загнуты крючком, чтобы их можно было вешать на края трубки. Перед опытом прибор укрепляют в вертикальном Рис. 10 положении, как показано на рисунке 10. За трубкой располагают белый экран, на фоне которого лучше видны конвекционные токи. В прибор наливают холодную воду выше уровня горизонтальной трубки. Затем на сетчатое дно каждой ложки кладут небольшой кусочек краски, например кристаллики марганцовокислого калия. Ложечки с красителем опускают в оба колена прибора и подвешивают их за края трубки так, чтобы ручки не мешали наблюдению конвекционных токов. На этом заканчивается подготовка установки. Для демонстрации конвекции под прибор подставляют спиртовку: ее пламя должно охватывать угол прибора под одной из ложечек и по возможности не касаться нижней горизонтальной части трубки. В подогреваемой таким образом воде возникают конвекционные токи, поэтому у обеих ложечек одновременно появятся резко окрашенные струйки воды. От ложечки, расположенной над нагревателем, окрашенная струйка будет подниматься вверх. От другой ложечки такая же струйка пойдет вниз. Явление будет отчетливо наблюдаться до слияния двух окрашенных струек. В этом опыте стоит обратить внимание учащихся на направление конвекционных токов и на одновременность их возникновения в любом сечении трубки. Для демонстрации конвекции газа изготавливают бумажную змейку, которая вращается в потоке восходящего горячего воздуха, идущего от спиртовки (см. рис. 11). Внимание! При установке змейки на острие Рис. 11 нельзя прокалывать бумагу. 66 VIII. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Для допуска к работе необходимо знать: сущность опыта Эрстеда; формулу силы Ампера; правило левой руки; понятие магнитной индукции; правило определения направления вектора магнитной индукции; понятие силовой линии магнитного поля; понятие диа-, пара- и ферромагнетизма; понятие о магнитной проницаемости; что такое соленоид; понятие «самоиндукция и индуктивность». Опыт 1. Опыт Эрстеда Оборудование: 1) стрелка магнитная демонстрационная на подставке, 2) реостат, рассчитанный на 10–15 Ом, 3) источник питания ВС-24М или ВС-24, или НР, 4) выключатель демонстрационный, 5) ящик-подставка, 6) провода соединительные. На рисунке 1 изображена установка для проведения опыта Эрстеда. Провод, соединяющий реостат с источником питания, должен быть длинным, чтобы его можно было, слегка сгибая и выправляя в тех или иных местах, расположить горизонтально над стрелкой. Необходимый эффект достиРис. 1 гается при токе силой 1 А, поэтому На источнике постоянного напряжения следует установить напряжение 10 В, скользящий контакт реостата установить в среднее положение. Цель опыта – показать действие проводника с током на магнитную стрелку. Это даст возможность сначала сделать заключение о существовании магнитного поля вокруг проводника с током, а затем определить направление силовых линий магнитного поля, учитывая, что за направление вектора магнитной индукции взято направление от южного полюса к северному полюсу свободно устанавливающейся в магнитном поле стрелки. 67 Перед тем как начать демонстрацию, учащихся предупреждают о том, чтобы они следили за поведением северного полюса стрелки в момент включения тока. Затем замыкают цепь и наблюдают за расположением северного полюса стрелки в момент ее нахождения под проводом. Выключив ток, располагают магнитную стрелку над проводом. Снова замыкают цепь и по поведению северного полюса стрелки определяют новое направление вектора магнитной индукции. Располагая стрелку рядом с проводом сначала с одной стороны, затем с другой, наблюдают, что в момент включения тока северный полюс стрелки получает заметный толчок вниз или вверх. Выводы из проведенного исследования должны быть представлены на доске в виде соответствующего рисунка. Опыт 2. Магнитные спектры прямого и кругового токов Оборудование: 1) источник питания ВС-24М или ВС-24, или НР, 2) моток проволочный с разборной площадкой, 3) стрелка магнитная демонстрационная, 4) лист бумаги, 5) выключатель демонстрационный, 6) опилки железные в коробке с ситечком, 7) провода соединительные. Для демонстрации магнитных спектров тока можно воспользоваться прибором, который представляет собой моток из изолированной проволоки, установленный на подставке с двумя зажимами. Концы мотка подведены к зажимам так, чтобы учащиеся могли проследить направление тока в обмотке. На мотке в горизонтальном положении может быть закреплена съемная площадка. В собранном виде прибор изображен на рисунке 2. Для деРис. 2 монстрации магнитного спектра прямого тока опилки насыпают только с одной стороны мотка, так как можно считать, что на таком ограниченном участке мотка магнитное поле образовано только сравнительно коротким прямым отрезком. Для демонстрации магнитного спектра кругового тока опыт повторяют, рассеивая опилки по всей площадке. При проведении опытов, прежде чем включить ток, на площадку кладут специально вырезанный лист бумаги. Опилки насыпают через ситечко ровным слоем. После включения тока, для того чтобы опилки 68 распределились равномерно, постукивают карандашом по нижней поверхности площадки в разных местах, пока не образуется отчетливый магнитный спектр. Необходимый эффект возникает при токе в 1 А и напряжении 4–6 В. Полученный спектр дает общую картину расположения магнитных силовых линий. Для того чтобы определить их направление, площадку снимают и рядом с мотком в разных местах располагают магнитную стрелку на подставке с острием. При замыкании ключа стрелка резко поворачивается и, совершив несколько колебаний, устанавливается северным полюсом по направлению силовых линий магнитного поля. Сопоставляя полученный результат с выводами из предыдущего опыта, определяют направление силовых линий и формулируют правило винта. Опыт 3. Определение полюсов соленоида магнитной стрелкой и по направлению тока Оборудование: 1) соленоид демонстрационный, 2) стрелка магнитная демонстрационная на подставке, 3) источник питания ВС-24М или ВС-24, или НР, 4) выключатель демонстрационный, 5) провода соединительные, 6) ящик-подставка. Опыт с соленоидом является развитием опыта по демонстрации магнитных спектров прямого и кругового токов, облегчающего понимание действия электромагнита. Для демонстрации приборы располагают так, как показано на рисунке 3. К источнику питания через выключатель присоединяют зажимы соленоида и приближают Рис. 3 к одному из его концов магнитную стрелку. Направление стрелки не должно совпадать с осью прибора. Затем включают ток и по расположению стрелки определяют полюсы соленоида. Зная направление тока в цепи, проверяют результаты опыта по правилу правого винта. В качестве соленоида можно взять одну катушку от разборного электромагнита или трансформатора. 69 Опыт 4. Усиление магнитного поля соленоида железным сердечником Оборудование: 1) стрелка магнитная демонстрационная на подставке, 2) катушка от разборного электромагнита, 3) стержень укороченный от универсального штатива, 4) источник питания ВС-24М или ВС-24, или НР, 5) выключатель демонстрационный, 6) провода соединительные, 7) ящик-подставка. Катушку от разборного электромагнита кладут горизонтально на ящик-подставку на высоте магнитной стрелки и присоединяют через выключатель к источнику тока (рис. 4). Рис. 4 Обращают внимание на то, что после включения тока магнитная стрелка, расположенная рядом с одним из полюсов катушки, резко повертывается и долго колеблется, стремясь установиться по направлению силовой линии магнитного поля катушки. В этот момент, пока стрелка не установилась после замыкания цепи, вводят с противоположного конца катушки внутрь нее железный стержень. Замечают, что частота колебаний стрелки резко увеличивается и стрелка быстро останавливается. Делают вывод: магнитное поле катушки с током усиливается при введении железного сердечника. Опыт 5. Устройство и принцип действия телеграфа Оборудование: 1) модель телеграфного аппарата, 2) источник питания ВС-24М или ВС-24, или НР, 3) ключ телеграфный, 4) провода соединительные. Простейшим примером применения электромагнита является телеграфный аппарат. При объяснении его устройства пользуются наглядной учебной моделью, включенной Рис. 5 в электрическую цепь (рис. 5). При замыкании цепи телеграфным ключом якорь электромагнита притягивает планку и прижимает карандаш к бумажной ленте, огибающей 70 ролик. При равномерном вытягивании бумаги карандаш пишет на ней либо точку, либо тире, в зависимости от длительности замыкания цепи. Замечание. Модель будет удовлетворительно записывать только в том случае, если карандаш, вставленный в отверстие на конце планки, будет иметь простейшее амортизирующее устройство. Модель телеграфного аппарата работает при напряжении 4 В. Опыт 6. Устройство и принцип действия электрического звонка Оборудование: 1) модель электрического звонка, 2) источник питания ВС-24М или ВС-24, или НР, 3) белый экран, 4) выключатель демонстрационный, 5) провода соединительные, 6) ящик-подставка. Собирают установку (рис. 6). За установкой располагают экран, чтобы детали установки были отчетливо видны учащимся со всех мест класса. Выясняют устройство и принцип действия электрического звонка. Замыкают цепь, модель начинает действовать. Рис. 6 Если якорь не совершает колебания, опытным путем, вращая маховик, подбирают необходимое положение контактного стержня. Замечание: модель электрического звонка работает при напряжении 4 В. Опыт 7. Магниты постоянные Оборудование: 1) магниты постоянные, 2) гвозди или канцелярские скрепки, 3) мелкие предметы из разных металлов, 4) штатив универсальный. При первом знакомстве учащихся с магнитом должно быть выявлено основное его свойство: магнит притягивает железные предметы и не притягивает другие – из алюминия, меди, свинца. Для этого подносят один из магнитов к различным мелким предметам и показывают, что притягиваются к нему лишь предметы железные. Для демонстрации полюсов и нейтральной линии зажимают прямой магнит в горизонтальном положении в лапку штатива и подвешива71 Рис. 7 ют к нему на равных расстояниях мелкие гвозди вдоль всей его длины. К каждому присоединившемуся гвоздику снизу осторожно подвешивают столько гвоздей, сколько их будет держаться благодаря притяжению магнита. В результате получится выразительная картина, изображенная на рисунке 7. Из описания этого опыта можно сделать вывод о том, что наиболее сильное магнитное действие обнаруживается вблизи концов магнита его полюсов. Опыт 8. Движение прямого проводника с током в магнитном поле Оборудование: 1) проводник алюминиевый, 2) выключатель демонстрационный, 3) источник питания ВС-24М или ВС-24, или НР, 4) штатив универсальный, 5) магнит дугообразный, 6) провода соединительные, 7) реостат на 6 Ом. Для демонстрации опыта собирают установку согласно рисунку 8. С этой целью исследуемый проводник размещают между полюсов дугообразного магнита, закрепленного в лапке универсального штатива. Электрическая цепь состоит из последовательно соединенных между собой проводника, реостата, выключателя и источника тока. Скользящий контакт реостата устанавливают так, чтобы при подаче постоянного напряжения 6 В получить ток, приблизительно равный 1 А. Замыкая ключ на короткое вреРис. 8 мя, наблюдают втягивание проводника внутрь магнита или, наоборот, выбрасывание его наружу. Опыт повторяют, изменяя полярность источника тока и расположение полюсов магнита. Объясняют результаты опытов, применяя каждый раз правило левой руки для определения силы ампера, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током. 72 Опыт 9. Демонстрация магнитных свойств вещества Оборудование: 1) исследуемые образцы, 2) трансформатор универсальный, 3) штатив универсальный, 4) проекционный аппарат, 5) источник питания ВС-24М или ВС-24, или НР, 6) провода соединительные. Проявление диа-, пара- и ферромагнитных свойств различных веществ демонстрируют, помещая образцы из исследуемых материалов в сильное магнитное поле (рис. 9.1). Если образец, имеющий продолговатую форму, поместить между полюсами сильного электромагнита, то в зависимости от своей природы он различным образом располагается вдоль поля. При подготовке к опыту сердечник универсального трансформатора устанавливают перед конденсором проекционного аппарата. На сердечник насаживают катушку, рассчитанную на 120 В, и закрепляют конические полюсные наконечники с промежутком между ними на 2–3 мм больше длины образца. Поместив между полюсами образец, подРис. 9.1 лежащий исследованию, включают осветитель проектора и получают на экране резкое прямое изображение образца и полюсных наконечников (рис. 9.2). Затем катушку электромагнита присоединяют к источнику постоянного тока. При напряжении приблизительно 30 В (ток 5 А) следят за поведением образца. При включении тока образец, изготовленный из висмута, расположенный вначале вдоль линий поля, поворачивается и располагается поперек поля. При выключении тока он возвращается в исходное положение. Рис. 9.2 Магнитная проницаемость висмута отлична от единицы, как у типичного диамагнетика, и поворот образца происходит достаточно энергично. Алюминий – парамагнетик, поэтому цилиндрик из алюминия помещают между наконечниками поперек поля. При включении тока алюминиевый цилиндрик поворачивается и устанавливается вдоль линий поля. 73 Стальной цилиндрик – ферромагнетик, помещенный поперек магнитного зазора, при включении тока резко поворачивается и пристает концом к одному из полюсных наконечников. Замечание. Во время опытов не следует слишком долго держать катушку электромагнита под током, чтобы она не перегрелась. Опыт 10. Магнитная защита Оборудование: 1) магнит дугообразный, 2) штатив, 3) гиря с крючком, 4) кусок стальной проволоки, 5) пластинки из железа и других материалов. Чтобы выделить некоторый объем, свободный от магнитного поля, прибегают к магнитному экранированию. Оно основано на том, что железо, внесенное в магнитное поле, намагничивается. В результате сложения намагничивающего поля и поля, образованного намагниченным железом, можно получать ограниченные области пространства, совершенно свободные от магнитного поля. Для показа магнитной защиты полезно провести следующий опыт. Сильный дугообразный магнит закрепляют вниз полюсами, как показано на рисунке 10. Кусок стальной проволоки диаметром 2 мм подвязывают на двух нитях к крючку стоящей на столе гири и подносят снизу к полюсам магнита. Магнит устанавливают на максимальной высоте, при которой проволока надежно удерживается притяжением магнита, слегка натягивая нить. Затем в промежуток между проволокой Рис. 10 и полюсами магнита поочередно вносят пластинки из стекла, дерева, алюминия, меди и показывают, что загораживание магнита этими пластинками нисколько не ослабляет его действия на проволоку. При внесении же пластинки из железа проволока немедленно падает. 74 IX. ЭЛЕКТРОСТАТИКА До выполнения работы необходимо знать: понятие электризации; понятие одноименных и разноименных зарядов; устройство электроскопа и электрометра; понятие электрического поля и его силовых линий; понятие точечного заряда; закон Кулона; понятие пробного заряда; понятие электрической емкости; формулу электроемкости плоского конденсатора; формулу энергии электрического поля. Опыт 1. Электризация диэлектриков и проводников Оборудование: 1) штатив с легко вращающейся насадкой, 2) палочки: эбонитовая, из органического стекла, металлическая на изолирующей ручке, 3) кусок меха и лист бумаги, 4) различные тела: деревянная рейка, металлическая трубка или стержень, пластмассовая линейка, 5) склянка с тубусом внизу и краном, 6) подъемный столик, 7) кювета для воды. Явления электризации необходимо продемонстрировать с различными телами. Наэлектризованную эбонитовую палочку или палочку из органического стекла подносят к деревянной рейке, помещенной в углубление самодельной легко вращающейся насадки, подвешенной на нити. Наблюдают притяжение рейки к палочке. Затем заменяют рейку пластмассовой линейкой, металлической трубкой и показывают их притяжение к различным наэлектризованным палочкам: эбонитовой, стеклянной и металлической. Обращают внимание на одновременную электризацию двух взаимодействующих тел, для этого вначале демонстрируют притяжение рейки к палочке из органического стекла, наэлектризованной о лист бумаги, затем ее отталкивание от этого листа. Чтобы показать притяжение струи воды к наэлектризованной палочке, склянку с водой располагают на подъемном столике рядом с кюветой (рис. 1). Пользуясь краном, получают достаточно заметную, Рис. 1 75 но не слишком сильную струю воды и подносят к ней сверху и несколько сбоку хорошо наэлектризованную палочку. Наблюдают, как струя, притягиваясь, изгибается в сторону наэлектризованной палочки. Опыт 2. Преобразователь высоковольтный «Разряд-1» Оборудование: преобразователь высоковольтный «Разряд-1» Прибор предназначен для демонстрации опытов по электростатике и электродинамике (рис. 2). Преобразователь имеет два выхода на напряжение постоянного тока 25 кВ и 5 кВ при входном напряжении постоянного тока 12 В. Рис. 2 При изменении входного напряжения от 0 до 12 В напряжение на выходе «5кB» изменяется в пределах 0–5 кВ с точностью ±10 % от максимального значения при активной нагрузке 4 Мом. При изменении входного напряжения от 0 до 12 В напряжение на выходе «25кB» изменяется в пределах 0–25 кВ с точностью ± 10 % от максимального значения при активной нагрузке 220 Мом. Максимальная потребляемая мощность преобразователя 20 Вт. Порог срабатывания защиты преобразователя от перенапряжения 13–17 В. Преобразователь сохраняет работоспособность после воздействия входного напряжения до 30 В любой полярности. На лицевой панели преобразователя расположены клавишный переключатель включения и отключения напряжения питания, дисковый и клавишный переключатели пределов 5 и 25 кВ, клеммы выхода 25 кВ, в которые вставлены съемные борны. Один из борнов, имеющий горизонтальную ось, подвижный. При помощи ручки можно изменять расстояние между шарами борнов до момента появления разряда. Шары борнов съемные. При снятии шаров поверхность стекания разряда становится конусной, что позволяет получить разрядный промежуток в 2–3 раза больше по сравнению с шаровыми поверхностями. Для получения требуемого выходного напряжения необходимо клавишный и дисковый переключатели установить в положение, соответствующее избранному выходу. Для перевода дискового переключателя в новое положение его предварительно нужно вынуть из гнезда. На боковых поверхностях расположены клеммы для подключения низковольтного источника и выхода «5 кB». Перед началом работы переключатель питания нужно установить в положение «Откл.». Для получения напряжения 5 кВ необходимо пе76 реключатели пределов напряжения поставить в положение «5 кB», для получения напряжения 25 кВ в положение «25 кB». Подключить к преобразователю источник питания согласно указанной полярности. Переключатель питания установить в положение «Вкл.». При срыве генерации, который определяется прекращением характерного писка, нужно нажать кнопку «Пуск». После окончания работы с преобразователем необходимо переключатель питания установить в положение «Откл.» и отсоединить источник питания. Для питания преобразователя применяются выпрямители ВС-24М, ВС-4-12. При работе с преобразователем необходимо соблюдать следующие условия техники безопасности: запрещается касаться высоковольтных элементов схемы, место работы с преобразователем следует содержать в чистоте, там не должны находиться посторонние предметы, которые могут привести к случайным соприкосновениям с элементами, имеющими высокий потенциал. Опыт 3. Устройство и действие электрометра Оборудование: 1) электрометры демонстрационные, 2) проводник соединительный на изолирующей ручке, 3) палочки для электризации с куском меха. Электрометр (рис. 3) служит для обнаружения электрического заряда, определения его знака, измерения разности потенциалов, а также для демонстрации опытов по электростатической индукции, электроемкости и в ряде других опытов. Электрометр представляет собой цилиндрический застекленный с обеих сторон корпус, укрепленный на подставке. Через изолирующую втулку внутрь корпуса проходит металличеРис. 3 ская трубка, заканчивающаяся стержнем с установленной на нем стрелкой-указателем. Стрелка хорошо выделяется на фоне заднего матового стекла, на котором нанесена шкала с делениями. Для соединения проводником металлического корпуса электрометра с землей имеется специальная клемма на корпусе прибора. Для демонстрации действия электрометра электризуют палочку и заряжают электрометр. В результате отталкивания одноименных зарядов стрелка-указатель поворачивается на тот или иной угол в зависимости от величины сообщенного заряда. 77 При работе с электрометром следует иметь в виду, что при соприкосновении заряженной палочки со стержнем прибора электрический заряд переходит на стержень только с очень небольшого участка заряженной поверхности вокруг места соприкосновения. Поэтому для более эффективной передачи заряда не ограничиваются прикосновением, а несколько раз проводят палочкой по стержню, каждый раз поворачивая ее в руке. При передаче заряда с проводника достаточно одного прикосновения. При медленном поднесении заряженной палочки к электрометру легко заметить, что стрелка начинает отклоняться, когда палочка еще не коснулась прибора, а находится на значительном расстоянии от стержня электрометра, т.е. наблюдается электростатическая индукция. Чтобы это явление преждевременно не отвлекало внимания учащихся от основной цели опыта, надо палочку подносить к электрометру быстрее. Электрометры комплектуют в пары, настроенные на одинаковую чувствительность, т.е. от одинаковых зарядов в обоих электрометрах указатели отклоняются на равные углы. Если же по какой-либо причине чувствительность приборов окажется неодинаковой, то электрометры можно выверить следующим простым приемом. У прибора, указатель которого отклоняется на больший угол, снимают переднее стекло. Чтобы показания приборов были одинаковыми, нижний конец стрелки открытого электрометра слегка нагружают. Для этого мягкой кисточкой, смоченной лаком (нитролак, спиртовой лак), аккуратно касаются нижнего конца стрелки. Лак на стрелку наносят в очень малых количествах, поэтому операцию эту следует проводить осторожно. Затем вновь заряжают электрометры и наблюдают, насколько одинаковы углы отклонения указателей. Если показания одинаковы, то оставляют электрометр на некоторое время открытым. Когда лак высохнет, проверку повторяют и электрометр закрывают. Опыт 4. Два рода зарядов и их взаимодействие Оборудование: 1) маятники электростатические на изолирующих штативах, 2) палочка из органического стекла, 3) палочка из эбонита, 4) кусок меха, 5) лист бумаги. Заряженную трением о мех палочку из органического стекла подносят к гильзе электрического маятника. Гильза сначала притягивается к палочке, но коснувшись последней, отскакивает от нее. Опыт показывает, что во время соприкосновения часть заряда с палочки переходит на гильзу, после чего возникает взаимодействие двух одноименно заряженных тел, которое проявляется во взаимном отталкивании. 78 Тем же способом заряжают второй маятник и показывают их взаимное отталкивание, сдвигая штативы маятников и сближая точки подвеса нитей (рис. 4). После этого один из маятников заряжают палочкой из органического стекла, а другой – из эбонита. Затем сближают маятники, не давая им соприкасаться, и наблюдают притяжение. Раздвинув маятники, подносят поочередно то к одному, то к друРис. 4 гому маятнику заряженную палочку и наблюдают в одном случае притяжение, а в другом – отталкивание. При проведении этих опытов обращают внимание на то, что силы взаимодействия между двумя заряженными гильзами или между гильзой и палочкой увеличивается с уменьшением расстояния между ними (о силе взаимодействия можно судить по углу отклонения нити, на которой висит гильза). Результаты наблюдений позволяют сделать вывод о существовании разнородных (разноименных) электрических зарядов, а также о том, что однородные (одноименные) заряды взаимно отталкиваются, разнородные (разноименные) притягиваются. Далее заряжают электрические маятники разноименно и медленно сближают их до тех пор, пока они, притягиваясь, не коснутся друг друга. После соприкосновения гильзы оказываются почти незаряженными и не взаимодействуют друг с другом. Взаимная нейтрализация зарядов служит основанием для присвоения разноименным зарядам наименований: «положительный» – заряду, полученному на органическом стекле, и «отрицательный» – заряду, полученному на эбоните (при трении о мех). Опыт 5. Делимость электрического заряда Оборудование: 1) электрометры, 2) палочка из органического стекла, 3) кусок меха, 4) разрядник прямой на изолирующей ручке. Хорошо заряженный электрометр на мгновение соединяют разрядником с незаряженным электрометром и наблюдают уменьшение заряда на первом электрометре и появление заряда на втором (рис. 5). Прикосновением пальца разряжают второй электрометр и вновь соединяют его с первым. С каждым разом половина заряда первого электрометра переходит на второй, т.е. заряд делится на две равные части, уменьшаясь с каждым разом. 79 Рис. 5 Деление заряда можно продолжать, пока оставшийся заряд уже нельзя будет обнаружить электрометром. Опыт 6. Распределение зарядов по поверхности проводника. Электрический ветер Оборудование: 1) Сетка Кольбе, 2) штатив изолирующий, 3) иголка на подставке, 4) колесо Франклина, 5) свеча на подставке, 6) лапка с муфтой, 7) палочки эбонитовая или из органического стекла с куском меха, 8) электрофорная машина, 9) кондуктор конусообразный, 10) пробный шарик. Гибкую металлическую сетку с проводящими лепестками устанавливают на демонстрационном столе и электризуют палочкой из органического стекла или эбонитовой. Лепестки на обеих сторонах сетки отклоняются одинаково (рис. 6.1). Это дает основание считать, что Рис. 6.1 электрические заряды распределяются по всей поверхности равномерно. Затем изгибают сетку различными способами и показывают, что всякий раз лепестки на вогнутых поверхностях сетки опадают, а на выпуклых поверхностях отклоняются сильнее (рис. 6.2). После этого демонстрируют опыт с конусообразным кондуктором, перенося заряды с различных его точек Рис. 6.2 пробным шариком на электрометр. 80 Особенно большая плотность электрических зарядов создается на острие кондуктора. Молекулы воздуха вблизи острия ионизируются, и возникает поток ионов, направленный от острия. Чтобы продемонстрировать это явление, укрепляют на изолирующем штативе иголку на подставке и соединяют его с одним из кондукторов Рис. 6.3 электрофорной машины (рис. 6.3). Против острия зажимают в лапке штатива подставку с зажженной свечой. При вращении машины наблюдают «электрический ветер», который сильно отклоняет пламя свечи и может ее погасить. После этого иголку на подставке, соединенную проводником с электрофорной машиной, размещают вертикально на демонстрационном столе, насаживают на острие вертушку – колесо Франклина, которое при работе электрофорной Рис. 6.4 машины начинает вращаться (рис. 6.4). Опыт 7. Электростатическая индукция Оборудование: 1) электрометры с шаровыми кондукторами – 2шт., 2) палочки: эбонитовая, стеклянная и металлическая на изолирующей ручке, 3) куски меха, кожи и листовой резины, 4) разрядник на изолирующей ручке. Задача данного опыта состоит в том, чтобы напомнить учащимся явление электростатической индукции, т.е. показать способ разделения электрических зарядов в проводнике путем внесения его в электрическое поле, и научить школьников применять это явление для определения знака неизвестного заряда. Такое определение часто требуется в других опытах. Сначала показывают, как поднесение наэлектризованной палочки к незаряженному электрометру вызывает постепенное отклонение стрелки; при этом, чем ближе наэлектризованное тело, тем больше показания электрометра. Удаляют влияющий заряд и наблюдают нейтрализацию зарядов на электрометре. После этого заряжают электрометр прикосновением, например, от палочки из органического стекла так, чтобы угол отклонения стрелки был небольшим. Затем электризуют эту палочку и эбонитовую палочку и поочередно приближают их к электрометру, не касаясь его. При этом наблюдают, что от стеклянной палочки угол отклонения стрелки увели81 чивается, а от эбонитовой уменьшается. Опыт повторяют, поменяв знак заряда электрометра. Таким образом, определяют знак заряда. Весьма важно показать, что при небольшой величине заряда на электрометре при хорошо заряженной противоположным знаком палочке стрелка электрометра ведет себя иначе: сначала полностью отпадает, а затем вновь отклоняется. Это обстоятельство необходимо учитывать при определении знака неизвестного заряда. Чтобы избежать ошибки, надо испытуемое тело подносить к электрометру медленно и издалека, следя за поведением стрелки электрометра в первый момент. Приняв описанный способ определения знака заряда, можно показать одновременную электризацию обоих тел при трении. Для этого берут металлическую трубку за изолирующую ручку и 2–3 раза ударяют по куску резины. Затем прикасаются трубкой к одному электрометру, а резиной – к другому. Полученные таким образом заряды на электрометрах исследуют, как было описано выше, и убеждаются, что они противоположны по знаку. Чтобы продемонстрировать явление электростатической индукции, устанавливают на столе два незаряженных электрометра и соединяют их проводником. Затем к одному из них подносят хорошо наэлектризованную палочку (рис. 7.1). Стрелки электрометров отклоняются на одинаковый угол. За изолирующую ручку снимают проводник, после чего удаляют палочку. Оба электрометра оказываРис. 7.1 ются заряженными. При исследовании знаков их зарядов получается, что электрометр, расположенный ближе к влияющей палочке, зарядился противоположно ей по знаку, а удаленный электрометр – одинаково с зарядом палочки. Если теперь соединить электрометры проводником, то происходит полная нейтрализация зарядов. Опыт можно провести и с одним электрометром (рис. 7.2). Для этого к шару незаряженного электрометра подносят заряженную палочку. Стрелка электрометра отклоняется. Прикасаются к шару пальцем. Рис. 7.2 Стрелка отпадает. 82 Отнимают от шара палец и после этого удаляют палочку. Стрелка электрометра отклоняется, указывая на присутствие заряда. Опыт 8. Электроемкость плоского конденсатора Оборудование: 1) конденсатор разборный, 2) штативы изолирующие, 3) электрометр, 4) палочка эбонитовая или стеклянная с кусочком меха, 5) штатив универсальный, 6) провода соединительные, 7) линейка или метр демонстрационный. Этот опыт должен служить экспериментальным обоснованием формулы плоского конденсатора: C 0 S d , где S – площадь одной из пластин, d – расстояние между пластинами (толщина диэлектрика), – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между пластинами, 0 – электрическая постоянная. На изолирующих штативах с помощью винтов пластины конденсатора устанавливают параллельно друг другу и раздвигают на расстояние 2–3 см. К пластинам присоединяют электрометр, одну к стержню, другую – к корпусу (рис. 8). Хорошо наэлектризованной палочкой заряжают пластину, соединенную со стержнем Рис. 8 электрометра. (Отклонение стрелки должно быть примерно до половины шкалы.) Затем, не меняя расстояния между пластинами, сдвигают одну из них в сторону. Обращают внимание учащихся на заметное увеличение показаний электрометра, что свидетельствует об уменьшении емкости конденсатора при уменьшении площади пластин, взаимно перекрывающих друг друга. Снова возвращают пластину на место и наблюдают уменьшение показаний электрометра: емкость конденсатора увеличилась до первоначального значения. Замечание. Для лучшего эффекта соединительные провода не должны касаться стола. После этого демонстрируют зависимость емкости конденсатора от изменения расстояния между пластинами. Приближая или удаляя одну из пластин, следят за показаниями электрометра. Из опыта убеждаются, что емкость конденсатора изменяется обратно пропорционально расстоянию между пластинами. 83 Затем, оставив расстояние между пластинами неизменным, вносят в промежуток между ними диэлектрики с различными диэлектрическими проницаемостями, например пластины из органического стекла или эбонита. Наблюдают за показаниями электрометра, делают вывод об изменении емкости конденсатора при изменении диэлектрика. Опыт 9. Энергия заряженного конденсатора Оборудование: 1) батарея конденсаторов демонстрационная, 2) выпрямитель универсальный ВУП-1 или ВУП-2, 3) вольтметр для измерения постоянного напряжения со шкалой 0–150 В, 4) гальванометр от вольтметра, 5) переключатель однополюсный демонстрационный, 6) провода соединительные. Собирают установку по следующей схеме (рис. 9). От выпрямителя подают напряжение 60 В. Включают половину емкости батареи (16 мкФ) и заряжают ее, замыкая цепь зарядки на коротРис. 9 кое время. Затем переключают батарею на разрядку и наблюдают, что стрелка гальванометра от вольтметра отклоняется на некоторый угол. Объясняют учащимся, что электрическая энергия заряженного конденсатора переходит во внутреннюю энергию. Увеличивают емкость батареи в 2 раза и при прежнем напряжении снова заряжают конденсатор. Теперь стрелка гальванометра от вольтметра отклоняется на больший угол по сравнению с предыдущим опытом. По наблюдениям можно сказать, что энергия конденсатора увеличилась в 2 раза. Далее показывают, что энергия заряженного конденсатора зависит от разности потенциалов на его пластинах. С этой целью при напряжении 60 В повторяют опыт с прежней емкостью батареи конденсаторов (16 мкФ) и наблюдают отклонение стрелки гальванометра от вольтметра на тот же угол, что и в первом опыте. Затем увеличивают напряжение в 2 раза и наблюдают вновь отклонение стрелки гальванометра от вольтметра на большой угол по сравнению с первым опытом. Это подтверждает увеличение энергии заряженного конденсатора более чем в 2 раза. Таким образом, опыт показывает зависимость энергии заряженного конденсатора от его емкости и разности потенциалов на его обкладках. Замечание. Опыт можно проводить и с источником питания ВС-24М, но при этом подаваемое напряжение должно быть 10 В. 84 X. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ И ЭЛЕКТРОЛИТАХ Для выполнения работы необходимо знать: признаки существования электрического тока; условия существования электрического тока в замкнутой цепи; природу электрического тока в металлах; природу электрического тока в электролитах; принцип действия и назначение реостата; закон Ома для участка цепи; закон Ома для полной цепи; формулу зависимости сопротивления проводника от температуры; формулу зависимости сопротивления проводника от длины и сечения; понятие об электролитах; понятие об электролизе; законы электролиза; принцип действия химических источников тока. Опыт 1. Условия существования электрического тока в проводнике Оборудование: 1) электрометры с шаровыми кондукторами – 2 шт., 2) электрофорная машина, 3) эбонитовая и стеклянная палочки с кусочком меха, 4) провода соединительные, 5) неоновая лампочка. Сначала демонстрируют, пользуясь электрометрами, возникновение кратковременного электрического тока. Заряжают один из электрометров с помощью наэлектризованной палочки. Касаясь, соединяют его при помощи проводника с неоновой лампочкой и с незаряженным Рис. 1.1 электрометром (рис. 1.1). Наблюдают, как при этом на короткое время вспыхивает включенная в цепь неоновая лампа. Обращают внимание, что стрелки обоих электрометров после этого отклоняются на одинаковый угол (потенциалы выравниваются). 85 Так как свечение лампы сравнительно слабое, то опыт следует показывать несколько раз и в полутемном классе, чтобы одновременно можно было наблюдать за лампой и за показаниями электрометров. Для получения непрерывного тока видоизменяют установку. Соединяют неоновую лампу с электрофорной машиной (рис. 1.2). При работе машины наблюдают непрерывное свечение неоновой лампы. При объяснении составных элементов цепи разбирают вопрос о необходимости источника тока как устройства, в котором действуют сторонние силы, поддерживающие постоянную разность потенциРис. 1.2 алов на концах проводника. Опыт 2. Закон Ома для участка цепи Оборудование: 1) амперметр демонстрационный с шунтом на 3 А, 2) вольтметр демонстрационный с добавочным сопротивлением на 5 В, 3) магазин сопротивлений, 4) выпрямитель ВС-24М, 5) реостат со скользящим контактом на 30 Ом, 6) провода соединительные. Собирают установку (рис. 2.1.) по схеме (рис. 2.2), установив в магазине сопротивлений постоянное значение, например 2 Ом. С помощью реостата устанавливают на зажимах магазина сопротивлений сначала напряжение 3 В. При этом амРис. 2.1 перметр покажет 1,5 А. Затем, с помощью того же реостата, уменьшают напряжение на этом участке цепи до 2 В и фиксируют показания амперметра. Уменьшают напряжение до 1 В, вновь фиксируют показания амперметра, каждый раз показания амперметра и вольтметра записывают в таблицу. Рис. 2.2 86 Полученные результаты позволяют сделать вывод, что сила тока на данном участке прямо пропорциональна напряжению на его концах. После этого проводят второй опыт и выясняют зависимость силы тока от сопротивления участка цепи. С этой целью в магазине сопротивлений сначала устанавливают фиксированное значение сопротивления, например 4 Ом, и с помощью реостата доводят напряжение на этом участке до 2 В. Амперметр при этом покажет 0,5 А. Затем уменьшают сопротивление магазина до 2 Ом и опять с помощью реостата устанавливают на этом участке то же напряжение 2 В, фиксируют показания амперметра. Далее, уменьшая сопротивление магазина до 1 Ом, вновь устанавливают напряжение на этом участке, равное 2 В. Записывают показания амперметра для каждого случая в таблицу. По полученным данным делают вывод, что сила тока на участке цепи обратно пропорциональна его сопротивлению. Обобщая данные двух опытов, делают вывод о том, что сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению (закон Ома для участка цепи). Заполните таблицы. Проверьте справедливость закона Ома для участка цепи. I R, Ом 2 2 2 U, В 3 2 1 I, А II U, B 2 2 2 R, Ом 4 2 1 I, А Опыт 3. Использование реостата в качестве потенциометра Оборудование: 1) вольтметр демонстрационный с добавочным сопротивлением на 5 В, 2) выпрямитель ВС-24М, 3) реостат со скользящим контактом на 30 Ом, 4) метр демонстрационный, 5) лампочка от карманного фонарика на подставке на 6,3 В, 6) провода соединительные. Для демонстрации включения реостата как делителя напряжения – потенциометра – собирают установку по схеме (рис. 3). На реостат сопротивлением 30 Ом подают напряжение 5 В от выпрямителя ВС24М, регулируемое напряжение, составляющее только часть полного, снимают с ползунка и одного из зажимов реостата. В качестве нагрузки параллельно вольтметру включают лампочку (6,3 В). Лампочка и вольтметр с дополнительным сопротивРис. 3 лением на 5 В служат индикаторами. 87 Перемещая ползунок реостата, демонстрируют с помощью вольтметра изменение напряжения, показывают пропорциональность снимаемого напряжения длине соответствующего участка реостата. Для этого сзади реостата помещают демонстрационный метр и отмечают положение ползунка и соответствующее напряжение. Опыт 4. Зависимость сопротивления проводников от температуры Оборудование: 1) прибор для демонстрации изменения сопротивления проводника от температуры, 2) выпрямитель ВС-24М, 3) спиртовка, 4) провода соединительные, 5) штатив. Прибор для демонстрации изменения сопротивления проводника при нагревании укрепляют на штативе (рис. 4.1). Подключив источник тока к зажимам на стойке, наблюдают свечение лампы (рис. 4.2). Уменьшая напряжение источника, добиваются того, чтобы свечение лампы было едва заметным, затем подносят к спирали зажженную спиртовку и обращают внимание, как по мере нагревания Рис. 4.1 проволоки лампа начинает светиться слабее и гаснет совсем, что свидетельствует об увеличении сопротивления накаливаемой спирали по сравнению с холодной. Убирают спиртовку и наблюдают, как постепенно восстанавливается свечение лампы: спиРис. 4.2 раль остывает, ее сопротивление уменьшается. Объясняют учащимся изменение сопротивления проводника от температуры на основе представлений классической электронной теории. 2В Опыт 5. Зависимость сопротивления проводника от материала, его длины и поперечного сечения Оборудование: 1) доска с проволочными сопротивлениями, 2) амперметр демонстрационный с шунтом на 3 А, 3) выключатель демонстрационный, 4) выпрямитель ВС24М, 5) провода соединительные. На доске с проволочными сопротивлениями натянуты константантовые и стальной провода. Провода из константанта имеют размеры: 88 l1 = 0,25 м и d1 = 0,25 мм, l2 = 0,5 м и d2 = 0,5мм, l3 = 0,5м и d3 = 0,25 мм. Медный провод имеет длину l4 = 0,5 м, диаметр d4 = 0,25 мм. Схему собирают по рисунку 5. Амперметр демонстрационный 1В используйте с шунтом на 3 А. Вначале в цепь включают провод l1 и замечают силу тока. Подключая провод l2, выясняют зависимость сопротивления проводника от его длины, а подключением провода l3 – зависимость сопротивления от сечеРис. 5 ния проводника. Для изучения зависимости сопротивления от материала проводника сравнивают токи, текущие через проводники l2 и l4, имеющие одинаковые размеры, но изготовленные из разного материала. Заполните таблицу по результатам эксперимента и расчетным данным. Сравните полученные различными способами результаты для сопротивлений проводников. Сделайте вывод. Название материала константант медь l, мм d, мм 0,25 0,5 0,5 1 0,5 0,5 0,5 0,5 S, м2 , Омм R, Ом I, А U, В Опыт 6. Электропроводность воды и ее растворов Оборудование: 1) ванна с двумя электродами, 2) сосуд с дистиллированной водой, 3) соль поваренная, 4) лампа электрическая на 220 В на подставке, 5) провода соединительные, 6) проводник на изолирующей ручке. В ванну с двумя электродами наливают дистиллированной воды. Электроды соединяют последовательно с лампой накаливания и включают в сеть переменного тока напряжением 220 В (рис. 6). Наблюдают, что дистиллированная вода не проводит электриче- ~ 220 В Рис. 6 89 ский ток, лампа не светится. Чтобы убедиться, что на электродах имеется напряжение, соединяют их при помощи проводника на изолирующей ручке, лампа загорается. После этого растворяют в воде немного поваренной соли и наблюдают появление свечения лампы, сначала слабое, а по мере добавления соли – более яркое. Опыт 7. Электролиз раствора медного купороса Оборудование: 1) ванна с двумя угольными электродами и раствором медного купороса, 2) выпрямитель ВС-24М, 3) выключатель демонстрационный, 4) провода соединительные. Сначала показывают учащимся два черных угольных стержня, которые погружены в водный раствор медного купороса. Затем собирают электрическую цепь, соединяя электроды через выключатель с источником питания (рис. 7). Установив напряжение 10–20 В, замыкают цепь на 25–30 с, после чего вынимают электроды и пока10-20 В зывают учащимся. На электроде, соединенном Рис. 7 с отрицательным полюсом источника (катоде), будет хорошо виден розоватый налет меди. Меняют электроды местами и вновь включают ток. Через некоторое время показывают, что электрод, ранее покрытый медью, очистился, а второй покрылся медью. Поясняют, что металл всегда выделяется на электроде, соединенном с отрицательным полюсом источника тока, т.е. на катоде. После опыта угольный электрод, покрытый медью, включают в электрическую цепь так, чтобы он служил анодом, а в качестве катода используют медную пластину. Через некоторое время после замыкания цепи угольный электрод, покрытый медью, полностью очистится. 90 Опыт 8. Принцип действия аккумулятора Оборудование: 1) набор по электролизу с двумя свинцовыми пластинами, 2) раствор серной кислоты, 3) амперметр демонстрационный с шунтом на 3 А, 4) выпрямитель ВС-24М, 5) панелька с лампочкой на 3,5 В, 6) реостат на 6 Ом, 7) переключатель однополюсной, 8) провода соединительные. Для демонстрации принципа действия аккумулятора закрепляют в специальной вставке два одинаковых свинцовых электрода и опускают их в раствор серной кислоты, налитый в химический стакан. Обращают внимание на то, что данное устройство не может служить источником тока, так как оба электрода в нем одинаковы. Подтверждают это опытом: присоединяют к зажимам электродов лампочку и убеждаются, что она не горит. После этого собирают установку по схеме (рис. 8). Используют лампочку от карманного фонарика на 3,5 А. Амперметр берется с шунтом на 3 А и шкалой с нулем посередине. Включают цепь на зарядку и обращают внимание, в какую сторону отклоняется стрелка амперметра при зарядке. Величину зарядного тока регулируют при помощи реостата, устанавлиРис. 8 вая ее примерно 1 А. Через 1–2 минуты цепь размыкают и, вынув электроды, обращают внимание на изменение их окраски: электрод, который был присоединен к положительному полюсу источника, теперь имеет шоколадный оттенок, а второй электрод, присоединенный к отрицательному, – светло-серый. Снова погружают электроды в раствор кислоты и замыкают цепь разрядки. Наблюдают свечение лампочки и отклонение стрелки амперметра в обратную сторону. Так как ток разрядки продолжается короткое время, весь опыт повторяют несколько раз. После полной разрядки модели аккумулятора (для этого электроды замыкают на некоторое время накоротко), пластины почти полностью восстанавливают свой прежний цвет. 91 XI. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ До выполнения работы необходимо знать: природу электрического тока в газах; понятие иона; понятие самостоятельного и несамостоятельного разряда; назначение и виды ионизаторов; понятие мощности ионизатора; понятие ионизации и рекомбинации в газах; виды разрядов в газах; примеры применения газовых разрядов. Опыт 1. Ионизация газов Оборудование: 1) разборный конденсатор на изолирующих штативах, 2) электрометр, 3) эбонитовая и стеклянная палочки с куском меха, 4) соединительные провода, 5) спиртовка. Сначала показывают учащимся, что газы в естественном состоянии не проводят электричества. Для этого пластины раздвижного конденсатора соединяют с электрометром и заряжают его (рис. 1). Наблюдают, что заряд электрометра длительное время сохраняется неизменным. После этого вносят в газовый промежуток между пластинами Рис. 1 конденсатора пламя спички или спиртовки – электрометр быстро разряжается. Объясняют это тем, что при увеличении температуры образуется большое количество ионов, которые вызывают электропроводность воздуха. Опыт 2. Несамостоятельный разряд Оборудование: 1) конденсатор разборный на изолирующих штативах, 2) источник питания ИЭПП-2, 3) преобразователь высоковольтный «Разряд-1», 4) лампа неоновая ТН-20 на подставке, 5) спиртовка. Для демонстрации несамостоятельного разряда собирают установку по рисунку 2.1. Пластины разборного конденсатора устанавливают 92 на расстоянии приблизительно 10 см друг от друга и к ним через неоновую лампу на подставке подключают высоковольтный преобразователь. На высоковольтном преобразователе используются клеммы «5 кВ». Вначале опыта на пластины конденсатора постепенно подают такое напряжение, чтобы образовавшееся свечение неоновой лампы было едва заметным. Затем осторожно подносят снизу между пластинами конденсатора горящую спиртовку и наблюдают, как неоновая лампа начинает светиться ярче (рис. 2.2). Рис. 2.1 Рис. 2.2 Убирая спиртовку, прекращают действие внешнего ионизатора, лампа вновь едва светится. Для получения максимального эффекта опыт следует проводить в затемненном классе. После этого выключают из цепи неоновую лампу, пластины конденсатора соединяют непосредственно с высоковольтным преобразователем. На деревянной подставке устанавливают спиртовку так, чтобы верхняя часть пламени спиртовки заходила в воздушный промежуток конденсатора. После этого постепенно подают напряжение на пластины и наблюдают, как пламя и горячие потоки газов расщепляются в направлении электродов, обнаруживая наличие носителей положительных и отрицательных зарядов. Опыт 3. Коронный разряд Оборудование: 1) источник питания ИЭПП-2, 2) преобразователь высоковольтный «Разряд-1», 3) штативы изолирующие, 4) проводник на изолирующей ручке. Между изолирующими штативами, установленными на расстоянии 40 см друг от друга, натягивают две тонкие медные проволоки, не соединенные между собой. Одну из проволок соединяют с одним полюсом высоковольтного преобразователя, а другую – с другим (рис. 3). Рис. 3 93 Подключают проволоки к выходам высоковольтного преобразователя «25 кВ». Постепенно увеличивая напряжение до 12 В на источнике питания, наблюдают, что с некоторого момента появляется свечение вокруг проводов – коронирование. При этом обращают внимание на различный характер свечения у проводов, соединенных с положительным и отрицательным полюсом преобразователя. Объясняют, что вблизи тонких проволочек создается слишком большая неоднородность электрического поля, приводящая к ионизации воздуха. Опыт 4. Принцип действия электрофильтра Оборудование: 1) источник питания ИЭПП-2, 2)преобразователь высоковольтный «Разряд-1», 3) два электрода на изолирующей подставке (один в виде острия, другой в виде изогнутой пластины), 4) стеклянный колокол, 5) резиновая груша с папиросой. Для демонстрации принципа работы электрофильтра собирают следующую установку (рис. 4). Электроды, расположенные на изолирующей подставке, один в виде острия, другой в виде изогнутой пластины, соединяют с кондукторами высоковольтного преобразователя на «5 кВ» и «25 кВ» и накрывают их стеклянным колоколом. Рис. 4 С помощью резиновой груши под колокол нагнетают дым от тлеющей папиросы. Включая высоковольтный преобразователь, наблюдают, как дым под колоколом быстро исчезает. Объясняют действие электрофильтра. При включении высокого напряжения под колоколом возникает коронный разряд, воздух сильно ионизируется. Ионы, сталкиваясь с частичками дыма, заряжают их. Под действием сильного электрического поля заряженные частицы дыма движутся внутри трубы к электродам, где и оседают. Опыт повторяют, подав напряжение «25 кВ» от высоковольтного преобразователя. Сравнивают, при каком напряжении происходит быстрее фильтрация воздуха. 94 Опыт 5. Самостоятельный разряд в газах при пониженном давлении Оборудование: 1) двухэлектродная трубка для демонстрации электрического разряда, 2) вакуум – насос Комовского или ротационный, 3) источник питания ИЭПП-2, 4) преобразователь высоковольтный «Разряд-1», 5) резиновый шланг толстостенный. Двухэлектродную трубку с присоединенным резиновым шлангом от вакуум-насоса укрепляют на верхней панели высоковольтного преобразователя к кондукторам на «25 кВ», который служит источником токам (рис. 5). Подавая напряжение от источника питания 12 В, включают высоковольтный преобразователь и показывают сначала, что при нормальном давлении газового разряда не возникает. Затем с помощью насоса уменьшают давление в трубке, начиная с некоторого момента, в затемненном классе становится заметным возникающее свеРис. 5 чение в трубке. Сначала разряд имеет форму тонких фиолетовых пробегающих светящихся нитей, затем – шнура малинового цвета, соединяющего оба электрода. При дальнейшем понижении давления светящийся шнур бледнеет, расширяется, занимая почти всю трубку, образуется тлеющий разряд. При работе с хорошим ротационным насосом можно проследить и дальнейшие стадии разряда: сначала возникающее хорошо заметное темное катодное пространство и положительный анодный столб, потом образование отдельных слоев – страт. При объяснении наблюдаемых явлений необходимо пояснить, что разряд в трубке возникает вследствие того, что в разреженном воздухе увеличивается длина свободного пробега электронов, разгоняясь, они приобретают энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул. Источником вторичных электронов является катод, который бомбардируется положительными ионами. Опыт 6. Свечение разреженных газов Оборудование: 1) набор газосветных трубок, 2) источник питания ИЭПП-2, 3) генератор «Спектр», 4) провода соединительные От выпрямителя ИЭПП-2 подают напряжение 8 В на специально разработанный прибор для демонстрации свечения газов генератор 95 «Спектр» (рис. 6), внутри вертикальной стойки которого имеется два пружинящих электрода с металлическими колпачками, между которыми размещается исследуемая газосветная трубка. Включают прибор, демонстрируют последовательно разряды во всех трубках, наполненных различными разреженными газами. По цвету определяют находящийся в трубке газ. Голубой цвет – соответствует газам аргон или ксенон. Фиолетовый цвет – соответствует газу гелий. Оранжевый цвет – соответствует газу неон. Рис. 6 Опыт 7. Измерение порога зажигания и гашения неоновой лампы Оборудование: 1) неоновая лампа ТН-20 на подставке, 2) выпрямитель универсальный ВУП-1, 3) вольтметр для измерения постоянного напряжения на 150 В, 4) провода соединительные, 5) регулятор напряжения школьный (РНШ), 6) паспорт на неоновую лампу ТН-20. Особое место среди вакуумных приборов занимают неоновые лампы, представляющие собой разрядную трубку с холодным катодом, где используется тлеющий разряд. Эти лампы находят разнообразное применение в школьной практике. Поэтому при изучении тока в газах необходимо продемонстрировать свечение неоновой лампы на постоянном и переменном токе, показать различную величину напряжения для зажигания и гашения лампы, а также показать зажигание лампы под действием внешнего ионизатора. Сначала без вольтметра демонстрируют свечение этой лампы от постоянного тока – свечение только у анода, а затем от переменного тока – свечение у обоих электродов. Подключив вольтметр «0–150 В» и неоновую лампу ТН-20 к ВУП-1 (использовать клеммы «+» и «–» 0–250 В), демонстрируют разную величину напряжения для зажигания неоновой лампы и ее гашения (рис. 7.1). С этой целью постепенно увеличивают напряжение, подаваемое к ламРис. 7.1 пе от универсального выпрямителя, 96 и замечают напряжение, при котором лампа загорается. Немного увеличив напряжение, начинают постепенно уменьшать напряжение и опять отмечают его величину при гашении лампы. Обращают внимание, что гашение происходит при напряжении, меньшем на 8–10 В. Для демонстрации свечения у неоновой лампы двух электродов используют регулятор напряжения школьный (РНШ), к которому подключают лампу ТН-20 (рис. 7.2). Постепенно увеличивая переменное напряжение от сети 220 В, наблюРис. 7.2 дают, что порог зажигания и гашения при переменном токе одинаков. Запишите полученные значения. Воспользуйтесь паспортом неоновой лампы ТН-20 и объясните, почему пороги зажигания и гашения при постоянном и переменном токе различны. Опыт 8. Устройство и принцип включения люминесцентной лампы Оборудование: 1) лампа люминесцентная, 2) паспорт люминесцентной лампы. Лампа люминесцентная (рис. 8.1) со стартером и дросселем служит для демонстрации газосветной лампы, применяют ее в качестве прерывистого источника света при демонстрации стробоскопичеРис. 8.1 ского эффекта. Люминесцентная лампа смонтирована на специальной панели, на этой же панели установлено пусковое устройство. Лампу можно зажигать как с помощью кнопки замыканием цепи накала, так и с помощью стартера. Лампа рассчитана на включение в сеть переменного тока напряжением 220 В. Устройство изучается по имеющемуся паспорту. Зарисуйте в тетради принципиальную схему внутреннего строения люминесцентной лампы (рис. 8.2) (воспользуйтесь паспортом). Рис. 8.2 97 XII. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ До выполнения работы необходимо знать: какие вещества относятся к полупроводникам; природу электрического тока в полупроводниках; понятие «дырка»; понятие о термисторе и фоторезисторе; устройство и принцип работы фотоэлемента и термоэлемента; понятие о реле; понятие о коэффициенте усиления. Опыт 1. Комплект полупроводниковых приборов Оборудование: набор полупроводниковых приборов. Набор полупроводниковых приборов (рис. 1) предназначен для демонстрации основных свойств полупроводников. В комплект набора входят: терморезистор, фоторезистор, термоэлемент, два диода, транзистор, фотоэлемент. Каждый из полупроводниковых приборов смонтирован на отдельной металлической панели и соединен проводниками с контактными зажимами. Диоды и транзистор смонтированы на фоне их схематического изображения. Каждую панель с помощью скобы крепят на штанге универсального штатива. Рис. 1 Терморезистор имеет следующие параметры: сопротивление при температуре 20 °С равно 10 кОм, интервал рабочих температур – от –20 до +120 °С. Нижняя часть панели, на которой смонтирован терморезистор, съемная – на ней в виде спирали укреплен нагреватель, рассчитанный на подключение источника тока напряжением 4–6 В. В верхней части панели имеются три контактных зажима: к левому и среднему подсоединен терморезистор, а к среднему и правому – дополнительное сопротивление 1,3 кОм, которое ограничивает ток, проходящий через терморезистор. 98 Фотоэлемент установлен на панели с двумя контактными зажимами, у которых имеется обозначение полярности. Фоторезистор имеет темновое сопротивление порядка 107 Ом. Термоэлемент состоит из двух полупроводников n и p-типа. Полупроводники в виде брусков сверху соединены медной пластиной, снизу к ним прикреплены радиаторы – массивные пластины для отвода тепла. Медная пластина соединена со средним контактным зажимом, полупроводник n-типа подсоединен к правому зажиму, обозначенному знаком « – », полупроводник p-типа – к левому со знаком « + ». Диоды рассчитаны на силу тока не более 300 мА. Транзистор имеет коэффициент усиления по току около 50, номинальное напряжение на коллекторе – 5 В, номинальная сила тока коллектора – 10 мА. Опыт 2. Электронная и дырочная проводимость полупроводников Оборудование: 1) термоэлемент полупроводниковый на подставке, 2) провода соединительные, 3) гальванометр демонстрационный от вольтметра, 4) стаканы алюминиевые с холодной и горячей водой. Вначале собирают установку с термоэлементом (рис. 2.1). Стрелку гальванометра корректором устанавливают на нуль (используют шкалу «5–0–5»), один зажим гальванометра со знаком « + » соединяют с правым зажимом термоэлемента, второй зажим гальванометра – со средним зажимом термоэлемента. На верхнюю пластинку, припаянную к полупроводникам, придерживая рукой, устаРис. 2.1 навливают алюминиевый стакан с горячей водой. Следя за показаниями гальванометра, по направлению тока определяют полярность концов полупроводника. Делают вывод о носителях заряда в полупроводнике n-типа. На верхнюю пластину устанавливают алюминиевый стакан с холодной водой и доводят показания гальванометра до нуля. Переключают зажим гальванометра со знаком « + » на левый зажим термоэлемента (рис. 2.2), средний зажим которого остается со99 единенным с той же клеммой гальванометра, что и в первом случае. На верхнюю пластину, припаянную к полупроводникам, ставят стакан с горячей водой. Отмечают показание гальванометра. По направлению тока определяют полярность концов другого полупроводника. Делают вывод о носителях заряда в полупроводнике p-типа. Рис. 2.2 Опыт 3. Действие полупроводникового термоэлемента Оборудование: 1) термоэлемент полупроводниковый на подставке, 2) провода соединительные, 3) гальванометр демонстрационный от вольтметра, 4) стакан алюминиевый с горячей водой. К крайним зажимам термоэлемента присоединяют гальванометр от вольтметра (шкала «0–15») (рис. 3). Нагревают верхний спай (медный мостик) термоэлемента с помощью алюминиевого стакана с горячей водой и отмечают велиРис. 3 чину термотока. Внимание! Экспериментально проверьте, с каким прибором – гальванометром от демонстрационного вольтметра или гальванометром от демонстрационного амперметра – получается лучший эффект этих опытов, и объясните почему. Опыт 4. Односторонняя проводимость полупроводникового диода Оборудование: 1) гальванометр демонстрационный от амперметра, 2) диоды полупроводниковые на подставке, 3) выпрямитель ВС-24М, 4) реостат на 10 кОм, 5) провода соединительные. 100 Собирают цепь, состоящую из источника постоянного тока (0,5–1 В), диода, реостата на 10 кОм и гальванометра от демонстрационного амперметра (использовать шкалу «0–10») (рис. 4.1). Сопротивление реостата подРис. 4.1 бирается таким, чтобы при замыкании цепи стрелка гальванометра отклонялась до последнего деления шкалы. Затем в эту цепь последовательно включается полупроводниковый диод из набора сначала в прямом (рис. 4.2), потом в обратном направлении (рис. 4.3). На основании опытов строится вольт-амперная характеристика полупроводникового диода и делается вывод о проводимости диода (рис. 4.4). Рис. 4.2 Рис. 4.3 Рис. 4.4 101 Опыт 5. Действие полупроводникового фотоэлемента Оборудование: 1) фотоэлемент селеновый на подставке, 2) гальванометр демонстрационный от амперметра, 3) настольная лампа на 60–100 Вт, 4) провода соединительные. Фотоэлемент (рис. 5) подключают к гальванометру с соблюдением полярности. Электрическую лампу располагают на расстоянии одного метра от фотоэлемента. Рис. 5 Используя гальванометр от демонстрационного амперметра воспользуйтесь шкалой «0–10». При дневном освещении гальванометр обнаруживает определенную силу тока. При включении электрической лампы сила тока возрастет, о чем свидетельствуют показания гальванометра. С уменьшением расстояния между лампой и фотоэлементом сила продолжает увеличиваться. Опыт 6. Зависимость электропроводности полупроводника от температуры Оборудование: 1) терморезистор, 2) демонстрационный гальванометр от амперметра, 3) стаканы алюминиевые с холодной и горячей водой, 4) источник питания ВС-24М, 5) проводники соединительные. Собирают установку по схеме, изображенной на рисунке 6. С терморезистора снимают проволочный нагреватель. Опускают терморезистор в стакан с горячей водой и следят за показанием гальванометра. Используют шкалу гальванометра от амперметра («0–3»). Напряжение источника тока (от 1 до Рис. 6 4 В) подбирают таким, чтобы при замыкании цепи стрелка гальванометра при комнатной температуре отклонилась на 2–4 деления. 102 Делают вывод о зависимости сопротивления полупроводника при нагревании. Переносят терморегулятор в стакан с холодной водой, отмечают показания гальванометра и делают вывод. Опыт 7. Зависимость электропроводности полупроводника от освещенности Оборудование: 1) фоторезистор на подставке, 2) гальванометр демонстрационный от амперметра, 3) источник питания ВС-24М, 4) настольная лампа мощностью 60–100 Вт, 5) провода соединительные. Собирают установку с фоторезистором по схеме (рис. 7.2). Рис. 7.1 Рис. 7.2 Замыкают ключ и фиксируют показания гальванометра. Включают электрическую лампу и медленно приближают ее к фоторезистору, следят за показанием гальванометра от амперметра и делают вывод о том, как зависит электропроводность полупроводника от освещенности. Опыт 8. Усиление постоянного тока транзистором Оборудование: 1) транзистор на подставке, 2) фотоэлемент селеновый на подставке, 3) выпрямитель ВС-24М, 4) лампа настольная на 60–100 Вт, 5) гальванометры демонстрационные от амперметра – 2 шт., 6) провода соединительные. Рис. 8 Установку собирают по схеме (рис. 8). Транзистор включают по схеме с общим эмиттером. Замечание. Включая гальванометры от демонстрационного амперметра, используйте шкалы «0–10». От источника питания подайте не более 4 В. 103 Замыкая ключ, отмечают показание гальванометра, включенного в цепь базы. Приближая включенную настольную лампу к фотоэлементу, изменяют ток базы, фиксируя при этом изменение силы тока коллектора. Вычисляют коэффициент усиления транзистора как отношение изменения силы тока коллектора к изменению силы тока базы. Опыт 9. Действие простейшего фотореле Оборудование: 1) фоторезистор на подставке, 2) поляризованное реле РП-5 на подставке, 3) выпрямитель ВС-24М, 4) настольная лампа мощностью 60–100 Вт, 5) лампа на подставке мощностью 60 Вт, 6) провода соединительные. Собирают установку с фоторезистором по схеме (рис. 9). В цепь последовательно с фоторезистором включается обмотка поляризованного реле, соблюдая полярность. От источника ВС-24М подают напряжение 10 В в цепь с фоторезистором и поляризованРис. 9 ным реле РП-5. В исполнительную цепь через зажимы «НО», которые разомкнуты (открыты) в нормальном состоянии, включается электрическая лампа на 60 Вт, которая вначале не светится. При освещении фоторезистора настольной лампой реле срабатывает, включает исполнительную цепь, лампа на подставке загорается. Повторяют опыт, подключая лампу в исполнительной цепи через зажимы «НЗ», которые замкнуты в нормальном состоянии, наблюдают, что светящаяся лампа на подставке, наоборот, гаснет при освещении фоторезистора. Замечание. В исполнительную цепь вместо электрической лампы можно включить маломощный электродвигатель или электрический звонок. 104 XIII. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ До выполнения работы необходимо знать: закон электромагнитной индукции; правило Ленца; сущность явления самоиндукции; в чем преимущество дроссельной катушки. Опыт 1. Электромагнитная индукция Оборудование: 1) гальванометр от демонстрационного вольтметра, 2) амперметр демонстрационный с шунтом на 3 А, 3) магнит дугообразный, 4) два полосовых магнита, 5) две катушки от трансформатора универсального, 6) реостат на 100 Ом, 7) ключ демонстрационный, 8) источник питания ВС-24М, 9) провода соединительные К зажимам демонстрационного гальванометра от вольтметра (используйте шкалу «5–0–5») с малым входным сопротивлением присоединяют длинный отрезок гибкого изолированного провода и перемещают его то вниз, то вверх между ветвями дугообразного магнита (рис. 1.1). По слабому, но заметному отклонению стрелки гальванометра обнаруживают возникновение индукционного тока в замкнутой Рис. 1.1 цепи и определяют его направление. Обращают внимание, что в данной установке некоторая часть магнитного потока постоянного магнита охвачена замкнутым контуром, состоящим из провода и гальванометра, которая все время изменяется при движении провода. Провод сворачивают в петлю, надевают петлю на полюс магнита и, перемещая ее то вверх то вниз, замечают, что стрелка гальванометра отклоняется сильнее. Повторяют опыт, постепенно увеличивая число витков. К гальванометру от вольтметра (используйте шкалу «5–0–5») присоединяют катушку на 220 В от универсального трансформатора и возбуждают в ней индукционный ток двиРис. 1.2 жением прямого магнита (рис. 1.2). 105 Показывают, что при медленном движении магнита отклонение стрелки незначительно, а при быстром – стрелка отклоняется сильнее. Складывают вместе одноименными полюсами два магнита и получают при прежней скорости их движения более сильный индукционный ток. Отмечают, что направление индукционного тока зависит от характера движения магнита, когда последний вводят и удаляют из катушки. Собирают установку, состоящую из двух катушек от универсального трансформатора, на 220 В (левая), которая соединена с гальванометром от вольтметра (используйте шкалу «5–0–5»), другая – на 120 В через ключ, реостат – на 100 Ом и демонстрационный амперметр с шунтом – на 3 А (используйте шкалу «0–3») с источником питания ВС-24М. Катушки (без сердечника) ставят рядом друг с другом. От источника питания подают напряжение 20 В. С помощью реостата доводят ток в правой катушке приблизительно до 2 А (рис. 1.3). Включая и выключая ток в правой катушке, наблюдают возникновение в левой катушке кратковременного слабого индукционного тока. Рис. 1.3 В этих опытах определяют направление токов и магнитных полей, согласовывая результаты исследования с правилом Ленца. Опыт 2. Модель униполярного генератора Оборудование: 1) гальванометр от демонстрационного вольтметра № 290 (использовать шкалу «5–0–5»), 2) магнит дугообразный, 3) штатив универсальный, 4) сирена дисковая, 5) машина центробежная, 6) провода соединительные со скользящими контактами. Металлический диск (сирена Оппельта), приводимый во вращение центробежной машиной, располагают так, чтобы он был охвачен полюсами дугообразного магнита. Свободные электроны в диске, двигаясь вместе с ним перпендикулярно вектору индукции магнитного поля, испытывают действие силы Лоренца и отклоняются по радиусу диска. 106 В результате между осью и внешней окружностью диска создается разность потенциалов. К гальванометру от демонстрационного вольтметра присоединяют два соединительных провода со скользящими контактами, один из скользящих контактов прикрепляют к ободу диска, другой соединяют с осью (рис. 2). При равномерном вращении диска гальванометр будет показывать постоянный индукционный ток все время, пока вращается диск. Рис. 2 Опыт 3. Правило Ленца Оборудование: 1) прибор для демонстрации правила Ленца, 2) магниты прямые, 3) дроссельная катушка с сердечником или катушка от универсального трансформатора на 220 В, 4) кольцо алюминиевое на нити, 5) выключатель демонстрационный, 6) штатив универсальный, 7) источник питания ВС-24М, 8) провода соединительные, 9) ящик-подставка. Для проведения первого опыта применяют прибор, состоящий из двух колец, скрепленных легкой планкой и уравновешенных на острие. Размеры и вес обоих колец одинаковы, но одно из них разрезано. Установив прибор на подставке, складывают вместе два сильных прямых магнита, обратив их одноименными полюсами в одну сторону, и быстро вводят внутрь целого кольца (рис. 3.1). Наблюдают, что кольцо при этом отталкивается от магнита. Когда магнит из кольца вынимают, последнее Рис. 3.1 двигается вслед за магнитом. Наглядно правило Ленца и направление магнитных полей при внесении (рис. 3.2а) и вынесении (рис. 3.2б) магнита из кольца (катушки индуктивности) представлено на рисунке 3.2. Затем опыт повторяют с разрезанным кольцом и показывают, что при любом движении магнита кольцо остается неподвижным. 107 Необходимо иметь в виду, что эффект опыта зависит от качества магнита. Перед опытом магниты надо сильно намагнитить. Наилучшие результаты дают магниты из специального сплава. В этом случае при одном только приближении магнита кольцо удаляется от него и тотчас же останавливается, как только остановится магнит. При удалении магнита кольцо движется вслед за ним. Для проведения второго опыта в дроссельную катушку вставляют ярмо от сердечника универсального трансформатора, чтобы его конец выступал из катушки на 4–5 см (рис. 3.3). Чтобы ярмо при включении тока не втягивалось в катушку, его заклинивают деревянной планкой (можно использовать деревянную линейку). Рис. 3.3 Рис. 3.2 На выступающий конец ярма надевают алюминиевое кольцо, подвешенное на нити, катушку соединяют с выпрямителем. Подавая напряжение 10–20 В, включают ток и наблюдают резкое сдвигание кольца к концу ярма. При выключении тока кольцо возвращается в прежнее положение. Наблюдаемые отталкивание и притяжение кольца объясняются тем, что при включении тока изменяющееся в сердечнике катушки магнитное поле создает в кольце индукционный ток. По правилу Ленца магнитное поле возникшего индукционного тока должно быть направлено против нарастающего поля катушки. Следовательно, ток в катушке и индукционный ток в кольце направлены в противоположные стороны, что и приводит к отталкиванию кольца. Аналогично объясняется и притяжение кольца к катушке при выключении тока. 108 Опыт 4. Индукция в сплошных проводниках Оборудование: 1) трансформатор универсальный, 2) катушка дроссельная, 3) провода соединительные, 4) источник питания ВС-24М. Из деталей универсального трансформатора и дроссельной катушки собирают электромагнит с полюсными наконечниками, повернутыми плоскими концами друг к другу. Под гайку одного из винтов зажимают стойку с маятником в виде сплошной алюминиевой пластины. Положение маятВС-24М ника и полюсных наконечников регулируют (10-20) В так, чтобы зазоры между пластиной и наконечниками были как можно меньше (рис. 4). Катушку через выключатель присоединяют к источнику постоянного тока Рис. 4 напряжением 10–20 В. Приведенный в движение, колеблющийся с ничтожно малым затуханием маятник, при включении тока около 2 А, мгновенно останавливается. Заменив в маятнике сплошную пластину другой, равной по размерам, но имеющей прорези, повторяют опыт. При включении тока наблюдается заметное торможение маятника, однако он не сразу останавливается, а совершает несколько затухающих колебаний. Опыт 5. Демонстрация воздушных вихревых токов Оборудование: 1) алюминиевый стакан от калориметра, 2) подставка для демонстрационной магнитной стрелки, 3) магнит дугообразный, 4) машина центробежная. Рис. 5 Алюминиевый стакан от калориметра насаживают вверх дном на острие подставки для демонстрационной магнитной стрелки. Стакан должен быть насажан точно по центру, это обычно легко удается после нескольких проб. Над стаканом устанавливают постоянный дугообразный магнит, закрепленный в шпинделе центробежной машины (рис. 5). При вращении магнита вслед за ним в ту же сторону начинает вращаться стакан. 109 Вращая магнит с небольшой скоростью, следят за положением указателя на стакане и замечают, что он поворачивается на небольшой угол. При увеличении скорости вращения угол поворота увеличивается. Таким образом, по углу поворота стакана можно судить о скорости вращения магнита. В спидометре автомобиля магнит соединен гибким валом с колесами и увлекает при своем движении алюминиевый цилиндр, соединенный со стрелкой – указателем скорости. Опыт 6. Самоиндукция при замыкании цепи Оборудование: 1) трансформатор универсальный с дроссельной катушкой на 3 600 витков, 2) реостат на 50–100 Ом, 3) выпрямитель ВС-24М, 4) лампочки на подставках на 3,5 В и 0,28 А – 2 шт., 5) выключатель демонстрационный, 6) провода соединительные, 7) неоновая лампа на подставке ТН-20. Из многочисленных известных установок для демонстрации явления самоиндукции наиболее целесообразна установка (рис. 6.1), собранная по схеме, изображенной на рисунке 6.2. Она проста, наглядна и дает возможность демонстрировать явление самоиндукции при замыкании цепи. ТН-20 ТН-20 12 В Рис. 6.1 Рис. 6.2 Установка состоит из двух параллельных ветвей с одинаковыми лампами на 3,5 В и 0,28 А. Последовательно с одной лампой в верхней ветви включена дроссельная катушка из 3 600 витков с замкнутым сердечником от универсального трансформатора, с другой, в нижней ветви, – реостат сопротивлением 50–100 Ом. В качестве источника питания установки используется выпрямитель ВС-24М (рис. 6.2). После сборки установки включают ток и подбирают такое напряжение, чтобы лампа верхней ветви горела нормальным накалом. Яркость горения нижней лампы регулируют реостатом, добиваясь, чтобы обе лампы горели одинаково. При последующем включении то110 ка лампы загораются не одновременно: нижняя загорается в момент включения, а верхняя – с опозданием. Этим опытом показывают, что при замыкании цепи вокруг сердечника индуцируется вихревое электрическое поле, противодействующее нарастанию тока в катушке. Опыт повторяют несколько раз. При размыкании тока вокруг сердечника вновь индуцируется вихревое электрическое поле, которое поддерживает исчезающий ток. Однако в момент размыкания основной цепи обе ветви образуют замкнутую цепь, которая мешает резкому прекращению тока в катушке. Учитывая большую инерционность используемых лампочек и то, что ЭДС индукции в катушке недостаточно велика, обнаружить ее трудно. Чтобы показать явление самоТН-20 индукции при размыкании цепи, необходимо отключить нижнюю цепь (вынуть из патрона лампочку на 3,5 В и 0,28 А, включенную в цепи реостата) (рис. 6.3). Резкое прекращение тока в катушке будет индуцировать настолько сильное вихревое магнитное поле, что неоновая 12 В Рис. 6.3 лампа ТН-20 ярко вспыхнет. Наблюдаемое явление будет при меньшем напряжении в цепи, чем необходимо для ее зажигания. 111 XIV. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ Для выполненная работы необходимо знать: понятие свободных колебаний; понятие гармонических колебаний; определение математического маятника; понятия периода, частоты и фазы колебаний; формулу для расчета периода математического маятника; формулу для расчета периода пружинного маятника; понятие механического резонанса; условия возникновения резонанса; понятие об автоколебательной системе; понятие о внутренних и внешних силах системы; понятие волны, ее длины; формулу связи скорости распространения волны с частотой. Опыт 1. Свободные колебания под действием силы тяжести и силы упругости Оборудование: 1) пружины спиральные – 2 шт., 2) шар деревянный с двумя крючками, 3) штатив универсальный – 2 шт., 4) нить. Для первоначального ознакомления с колебательным движением демонстрируют колебания тела под действием силы тяжести и силы упругости. В качестве тела берут деревянный шар диаметром 50–70 мм с двумя крючками. Вначале показывают простейшую колебательную систему (рис. 1.1). Шарик на нити, подвешенный на стойке, собранной из универсального штатива. Маятник отводят рукой от положения равновесия и отпускают. Наблюдая за колебаниями маятника, устанавливают, что энергия, сообщенная колебательной системе, постепенно рассеивается. В результате этого амплитуда постепенно уменьшается и колебания в конце концов прекращаются. Опыт показывает, что свободные колебаРис. 1.1 ния являются затухающими. После этого демонстрируют колебания горизонтального пружинного маятника, собрав установку по рисунку 1.2. 112 Рис. 1.2 Стальные пружины длиной около 100 мм и внешним диаметром 25 мм зацепляют одним концом за крючки шара, а другим – за крючки зажимов, укрепленных на вертикальных стойках универсального штатива. Шар отводят рукой из положения равновесия и отпускают. Деформированные пружины возвращают шар в положение равновесия, но вследствие инертности он движется дальше и снова растягивает одну и сжимает другую пружины. Только после 10–15 колебаний шар останавливается. Опыт повторяют несколько раз. Далее показывают возникновение колебательного движения при одновременном действии на тело двух различных сил: силы упругости и силы тяжести. Опыт демонстрируют на вертикальном пружинном маятнике (рис. 1.3). Шар подвешивают на двух пружинах, соединенных последовательно. В состоянии равновесия на шар действуют две силы: сила тяжести и сила упругости пружины. Эти силы равны по величине, но противоположны по направлению. Следовательно, их равнодействующая равна нулю. При всяком отклонении шара от положения равновесия по вертикали результирующая сила становится отличной от нуля, так как сила тяжести остается постоянной, а сила упругости изменяется пропорционально удлинению пружины. Для демонстрации различных видов колебаний Рис. 1.3 шар вначале смещают вверх или вниз и отпускают, наблюдая вертикальные колебания. После этого шар оттягивают немного в сторону от положения равновесия и, отпустив, наблюдают горизонтальные колебания. Наконец, шар повертывают на некоторый угол вокруг вертикальной оси и снова отпускают. Возникают крутильные колебания. Рассмотренные примеры не исчерпывают всех возможных случаев колебательного движения, но их вполне достаточно для того, чтобы сделать вывод: любые внутренние силы, возвращающие тело в положение равновесия, могут вызвать колебания системы. 113 Опыт 2. Период колебаний нитяного маятника Оборудование: 1) стержень с тремя маятниками, 2) секундомер, 3) метр демонстрационный, 4) штатив универсальный, 5) катушка на 220 В от универсального трансформатора с железным сердечником, 6) источник питания ВС-24М, 7) выключатель однополюсный демонстрационный, 8) провода соединительные. Вначале демонстрируют, что период колебаний нитяного маятника не зависит от массы и амплитуды. Для этого удобно воспользоваться стержнем с тремя отверстиями, через которые продеты нити с шариками одинакового размера (железным, алюминиевым и свинцовым (рис. 2.1)). Тщательно уравнивают длины маятников, так как от этого главным образом зависит успех опыта. Затем два любых шарика линейкой отводят в сторону от положения равновесия на угол не более пяти градусов и одновременно отпускают. В течении примерно минуты наблюдают одинаковую частоту колебаний шариков и делают вывод о независимости периода колебаний нитяноРис. 2.1 го маятника от его массы. Изменяют в небольших пределах амплитуду колебаний у одного из маятников. Наблюдают, что маятники качаются синхронно, т.е. при малых углах отклонения период колебаний не зависит от амплитуды. После этого полезно один из маятников заставить совершать колебания в одной плоскости, а другой – описывать конус так, чтобы шарик двигался по окружности с радиусом, приблизительно равным амплитуде колебания первого шарика. Снова устанавливают совпадение периодов колебаний обоих маятников. Это наблюдение впоследствии может быть использовано для вывода формулы периода колебаний маятника. Далее показывают, что период колебаний нитяного маятника прямо пропорционален квадратному корню, взятому от его длины. Для этого вначале на стержне оставляют один свинцовый шарик. Нить, на которой висит свинцовый шарик, освобождают от крепления, придерживая ее конец рукой. Сообщают маятнику колебательное движение и, когда он проходит положение равновесия, немного подтягивают нить. Частота колебаний маятника заметно увеличивается. После 3–4-х полных колеба114 ний снова уменьшают длину маятника, частота колебаний становиться еще больше. Не дожидаясь затухания колебаний, нить отпускают до первоначальной длины и наблюдают восстановление прежней частоты. Приходят к выводу, что период колебания зависит от длины маятника. Для установления количественных соотношений штатив с маятником устанавливают на краю стола. Свинцовый шарик опускают ниже крышки стола, чтобы длина маятника от точки подвеса до центра шарика была равна 100 см. Длину маятника измеряют с помощью демонстрационного метра. Маятник отводят немного в сторону и отпускают. В момент, когда он проходит крайнее положение, включают демонстрационный секундомер и измеряют время десяти полных колебаний. Определяют период колебаний. Опыт повторяют, уменьшив длину маятника до 25 см, т.е. в четыре раза, убеждаются, что период колебаний при этом уменьшился только в два раза. Из результатов делают вывод, что период колебаний маятника прямо пропорционален корню квадратному, взятому из его длины. Чтобы показать зависимость периода колебаний от ускорения свободного падения, надо иметь возможность изменять это ускорение. Для этого можно воспользоваться железным шариком и поместить под ним электромагнит, собранный из катушки на 220 В и сердечника от универсального трансформатора. Обмотка катушки соединена через выключатель с выпрямителем ВС-24М, с которо8-12 В го подается постоянное напряжение около 8–12 В (рис. 2.2). Подбирают длину маятника такой величины, чтобы шарик в положении равновесия отстоял от сердечника электромагнита на расстоянии 3–5 мм и не Рис. 2.2 прикасался к нему при включении тока. Затем сообщают маятнику колебательное движение с малой амплитудой при разомкнутой цепи электромагнита; в тот момент, когда шарик проходит положение равновесия, замыкают ключ. Частота колебаний резко увеличивается, не дожидаясь остановки маятника, отключают ток и наблюдают восстановление периода. Опыт повторяют и убеждаются, что всякий раз при наличии электромагнитного поля частота колебаний маятника возрастает. 115 Опыт 3. Период колебаний пружинного маятника Оборудование: 1) держатель со спиральной пружиной, 2) гири массой 600 и 150 г, 3) секундомер, 4) штатив универсальный, 5) метр демонстрационный. Вначале демонстрируют, что период колебаний пружинного маятника не зависит от амплитуды. Для этого собирают установку по рисунку 3. Стойку штатива составляют из двух свинчивающихся стержней – длинного и короткого. Спиральную пружину ввертывают в держатель на 2–3 витка, укрепляют в штативе и нагружают гирей массой 600 г. Отводят гирю от положения равновесия на 4–5 см и отпускают. В момент времени, когда гиря проходит самое нижнее положение, включают секундомер и измеряют время десяти полных колебаРис. 3 ний. Определяют период колебаний. Через некоторое время, когда амплитуда колебаний маятника заметно уменьшится, повторяют измерения. Из сопоставления результатов измерений делают вывод о независимости периода колебаний пружинного маятника от величины амплитуды. Для демонстрации пропорциональности периода упругих колебаний квадратному корню, взятому от массы колеблющегося тела, к пружине подвешивают гирю массой 150 г и снова определяют период колебаний. Он оказывается в 2 раза меньше, чем в предыдущем опыте. Чтобы продемонстрировать обратно пропорциональную зависимость периода пружинного маятника квадратному корню, взятому из коэффициента упругости пружины, у последней оставляют одну четвертую часть работающих витков, а остальные ввертывают в держатель. К нижнему концу вновь подвешивают гирю массой 600 г и снова определяют период колебаний. Сравнивая полученный результат с периодом колебаний полной пружины, определенным в первом опыте, приходят к заключению, что период колебаний пружинного маятника прямо пропорционален квадратному корню из числа витков пружины. Для определения коэффициента жесткости пружины в первом и последнем случае, из закона Гука, измеряют с помощью демонстрационного метра абсолютные удлинения пружины при действии на них одинаковой силы, примерно в 10 Н. Коэффициент упругости полной пружины оказывается примерно в четыре раза меньше, т.е. коэффициенты 116 упругости обратно пропорциональны числу витков пружины. Тогда последний вывод можно сформулировать иначе: период колебаний пружинного маятника обратно пропорционален квадратному корню из коэффициента упругости пружины. Опыт 4. Вынужденные колебания. Резонанс Оборудование: 1) пружины спиральные с крючками – 2 шт., 2) шар деревянный с двумя крючками, 3) машина центробежная червячная с эксцентриком и конусной насадкой, 4) нить капроновая, 6) кружок картонный. Для демонстрации вынужденных колебаний собирают установку с горизонтальным пружинным маятником по рисунку 4. За крючки деревянного шара диаметром 50–70 мм зацепляют две одинаковые спиральные пружины. Один конец пружины зацепляют за винтовой зажим, а второй привязывают к капроновой нити длиной 40–50 см. На нити укрепляют картонный круг – индикатор, диаметром 50–70 мм. Для этого нить продевают в два отверстия круга, расположенных симметрично его центра. Конец нити с помощью петельки зацепляют за эксцентрик из набора принадлежностей к универсальному электродвигателю. Эксцентрик укрепляют на центробежной машине с помощью конусной насадки. Для вращения машины применяют ручку, ввернутую с обратной стороны шпинделя вместо крючка. Натягивают пружины перемещением центробежной машины и устраняют возможные перекосы. Рис. 4 Вначале показывают свободные колебания. Для этого шар отводят от положения равновесия и отпускают. Маятник, предоставленный самому себе, начинает совершать затухающие колебания с частотой, зависящей от свойств самой колебательной системы: массы колеблющегося шара, упругости пружины и силы сопротивления. Когда шар остановится, демонстрируют вынужденные колебания. Машину приводят в равномерное вращение с частотой, меньшей частоте собственных колебаний маятника. На маятник через нить начинает действовать внешняя периодическая сила. Вынужденные колеба117 ния устанавливаются не сразу. Вначале маятник совершает довольно сложные колебания, так как к вынужденным колебаниям примешиваются еще и собственные колебания, возбужденные в начальный момент действия силы. Но через некоторое время, называемое периодом установления режима, свободные колебания затухают и остаются только вынужденные. Внимание учащихся сосредоточивают на движении шара и картонного круга – индикатора, характеризующего действующую силу. Постепенно увеличивают скорость вращения машины и наблюдают возрастание амплитуды вынужденных колебаний. Когда частота внешней силы окажется близко к собственной частоте колебаний маятника, амплитуда вынужденных колебаний резко возрастет. Это явление называют резонансом. При дальнейшем увеличении скорости вращения амплитуда вынужденных колебаний уменьшится, но их частота по-прежнему будет совпадать с частотой действующей силы. Об этом судят, сравнивая колебания шара и индикатора на нити. Затем скорость вращения машины постепенно уменьшают до первоначальной величины. Все явления повторяются в обратном порядке. Проделанный опыт позволяет сделать следующие выводы: в колебательной системе, на которую действует периодически изменяющаяся сила, устанавливаются вынужденные колебания; частота вынужденных колебаний равна частоте действующей силы; амплитуда вынужденных колебаний достигает наибольшего числового значения, когда частота вынуждающей силы совпадает с частой собственных колебаний системы. Опыт 5. Резонанс маятников Оборудование: 1) грузы массой 50 г с крючками – 3 шт. и 100 г – 1 шт., 2) штатив универсальный – 2 шт., 3) прочные нити, 4) метр демонстрационный. Собирают установку по рисунку 5. Первый маятник отводят рукой из положения равновесия и приводят в колебание, он выполняет роль вибратора. Наблюдают за поведением остальных маятников. Замечают, что со временем сильнее всего раскачивается четвертый маятник, имеющий с вибратором одинаковую частоту. Длину первого маятника уменьшают до 75 см и снова повторяют опыт. Теперь резонирует третий маятник. Наконец, длину первого маятника уменьшают до 50 см и демонстрируют резонанс второго маятника. 118 Рис. 5 Далее маятниками 2, 3 и 4 пользуются как вибраторами, а первый маятник применяют в качестве резонатора. Изменяя постепенно длину первого маятника, добиваются явления резонанса для каждого маятника, т.е. демонстрируют поочередную настройку резонатора на частоту вибраторов. Следует обратить внимание учащихся на разность фаз между колебаниями вибратора и резонатора. В момент резонанса она равна девяносто градусов, что очень хорошо наблюдается на опыте вследствие медленных колебаний маятников. В постановке описанных опытов большое значение имеет величина связи между маятниками. Нить между ними должна быть натянута очень слабо, чтобы энергия от вибратора поступала в одном направлении к резонатору. При сильной связи происходит обмен энергией между маятниками и явление резонанса осложняется биениями. Опыт 6. Принцип действия резонансного тахометра Оборудование: 1) модель тахометра резонансного, 2) машина центробежная червячная на треноге с эксцентриком и конусной насадкой, 3) прокладка резиновая. Модель резонансного тахометра (рис. 6.1) представляет собой железную скобку, с одной стороны которой имеется зажимный винт, а с другой прикреплены между двумя брусочками четыре упругие пластинки различной длины. На концах пластинок имеются жестяные прямоугольники-флажки. Пластинки могут совершать упругие колебания, причем собственная частота пластинок различна. 119 Для демонстрации прибор укрепляют на центробежной машине, установленной в треноге от универсального штатива (рис. 6.2). На шпинделе машины закрепляют эксцентрик, взятый из набора принадлежностей к универсальному электродвигателю. Под основание машины подкладывают резиновую прокладку. Повертывают флажки в сторону учащихся и, придерживая машину рукой, плавно вращают рукоятку, медленно и равномерно увеличивая скорость. В это время пластинки прибора испытывают толчки, частота Рис. 6.1 которых равна числу оборотов машины. Когда частота вынужденных колебаний совпадет с собственной частотой одной из пластинок, амплитуда колебаний последней сильно увеличится. При постепенном увеличении скорости вращения пластинки вступают в резонанс поочередно, начиная с самой длинной. После наблюдения резонанса на последней, короткой, пластинке скорость машины еще немного увеличивают, а затем, отпустив рукоятку, предоставляют машине вращаться по инерции. По мере уменьшения скорости вращения машины Рис. 6.2 колебания пластинок повторяются в обратном порядке. Если известна собственная частота колебаний пластинок, то с помощью такого прибора можно было бы определить скорость вращения машины. Опыт 7. Автоколебания Оборудование: 1) маятник в часах на подставке, 2) штатив универсальный, 3) сосуд с сифоном. Механические автоколебания демонстрируют на модели часов. Вначале показывают основные части механической автоколебательной системы: собственно колебательную систему (маятник), источник энергии, поддерживающий незатухающие колебания (гирю), и приспособление, регулирующее поступление энергии в колебательную систему (храповое колесо с анкерной вилкой). Затем заводят часы и показывают, что при любом начальном отклонении маятника амплитуда его колебаний через некоторое время достигает определенной величины и после этого остается постоянной. Величина амплитуды определяется, с одной стороны, величиной энергии, поступающей от источника (гири), а с другой – расходом ее на преодоление различных сил сопротивления. При установившихся колебаниях количество энергии, расходуе120 мой маятником за один период, равно количеству энергии, поступающей за это же время от источника. Такие стационарные колебания, поддерживаемые в системе за счет энергии постоянного источника, называют автоколебаниями. Далее изменяют частоту колебаний маятника, перемещая груз на стержне. При этом устанавливают, что частота автоколебаний не зависит от внешних условий, как это наблюдается в случае вынужденных колебаний; она определяется приведенной длиной маятника. Изменение частоты автоколебаний приведет к изменению скорости расхода энергии источника (скорость опускания гири), причем поступление энергии в систему при любой частоте автоматически регулируется самой системой благодаря наличию обратной связи. В заключении демонстрируют автоколебания в системе, которая сама по себе не может совершать свободных колебаний. С этой целью собирают установку по рисунку 7. Верхний сосуд должен быть прозрачным, в его дно вставлена резиновая пробка с изогнутой стеклянной трубкой диаметром около 1 см. Под сосуд подставляют стакан. В верхний сосуд, с помощью резиновой трубки с зажимом, подают воду из склянки. Приоткрывая зажим, обращают внимание учащихся на медленно подниРис. 7 мающийся уровень воды в сосуде. Как только вода закроет изогнутое калено трубки, начинает действовать сифон. Вода быстро переливается из верхнего сосуда в нижний, несмотря на ее непрекращающийся приток из водопровода. Вытекание воды через сифон прекращается, когда ее уровень упадет до конца изогнутой трубки. После этого сосуд снова наполняется водой, и все явления повторяются. Итак, уровень воды в сосуде колеблется с периодом, определяемым не собственными колебаниями системы, а временем наполнения сосуда и выливания воды через сифонную трубку, т.е. временем релаксации системы. Поэтому такие автоколебания называют релаксационными. Опыт 8. Образование и распространение поперечных и продольных волн Оборудование: 1) стержень с тремя маятниками, 2) машина волновая, 3) штатив универсальный, 4) трубка резиновая или шнур диаметром до 1 см и длиной 4–5 м, 5) шнур резиновый диаметром 1–1,5 мм и длиной 50–60 см. 121 Изучение волновых процессов удобно начать с демонстрации колебания связанных маятников. Маятники выравнивают по длине и связывают примерно в середине тонким резиновым шнуром. Крайний маятник отклоняют от положения равновесия в плоскости, перпендикулярной горизонтальному стержню, и отпускают. Благодаря связи он через некоторое время раскачает второй шарик, а затем и третий. Показывают, что скорость передачи колебания от одного маятника к другому зависит от связи между маятниками. Для этого резиновый шнур опускают ближе к шарикам и снова повторяют опыт. Теперь процесс передачи колебаний происходит быстрее. Напомнив учащимся, что частицы любого тела связаны между собой силами молекулярного сцепления, приходят к выводу, что колебания, возбужденные в одном месте тела, должны распространяться по всему телу. Этот вывод подкрепляют демонстрацией волн на резиновой трубке. Длинную резиновую трубку привязывают одним концом к ручке оконной рамы или крюку, ввернутому в стену около демонстрационного стола, свободный конец берут в руку и слегка натягивают поперек класса. По спокойной трубке ударяют рукой на расстоянии 20–30 см от конца. Образовавшийся изгиб сравнительно медленно перемещается по трубке и, дойдя до закрепленного конца, возвращается обратно. Удары повторяют несколько раз, фиксируя внимание учащихся лишь на волне, бегущей в прямом направлении. Начальный импульс трубке можно сообщить иначе: захватывают конец трубки большим и указательным пальцами свободной руки, быстро оттягивают вниз и отпускают или быстро встряхивают конец трубки рукой. В процессе демонстрации опыта выясняют, что: отдельные точки трубки колеблются в направлении, перпендикулярном распространению волны; чем дальше точки расположены от источника колебаний, тем позднее приходят они в колебательное движение. Процесс распространения колебаний в упругой среде называют волновым движением. Показывают, что скорость распространения волны зависит от величины силы сцепления между частицами среды, т.е. от упругих свойств среды. Для этого увеличивают натяжение резиновой трубки и снова возбуждают отдельные волновые импульсы. Убеждаются, что скорость распространения волны тем больше, чем больше натянута трубка. После этого переходят к детальному выяснению механизма образования поперечных волн, пользуясь при этом волновой машиной. Диск машины приводят в положение, при котором шарики оказываются опущенными к нижней планке. Затем с помощью муфт шарики поднимают и устанавливают на уровне белой черты, проведенной на щитке. 122 Учащимся сообщают, что шарики машины моделируют частицы резинового шнура. Начальное их положение соответствует положению равновесия шнура. Далее, переставляя шарики с помощью муфт, показывают расположение частиц среды при образовании и распространении поперечРис. 9 ной волны (рис. 9). Демонстрацию опыта сопровождают примерно следующими рассуждениями. Пусть на первую частицу подействовала кратковременная сила, направленная вверх. Под действием этой силы частица приходит в колебательное движение. Благодаря наличию связи между частицами среды вслед за первой частицей с некоторым опозданием начинает двигаться вторая, за ней третья и т.д. Через четверть периода первая частица достигает наибольшего отклонения от положения равновесия и остановится, а остальные частицы, вовлеченные за это время в движение, расположатся по синусоиде. После этого первая частица под действием силы упругости начинает двигаться вниз к положению равновесия и достигает его через половину периода. За это время еще несколько (три) частицы вовлекутся в колебательное движение, причем вторая и третья частицы после достижения наибольшего отклонения изменят свое движение на обратное. К концу второй четверти периода в крайнем верхнем положении окажется четвертая частица. Продолжая подобные рассуждения и одновременно перемещая шарик на спицах, показывают их расположение в конце третьей четверти периода и в конце полного периода колебания первой частицы. После этого диск волновой машины устанавливают для демонстрации поперечных волн. Для этого стержень с шариком ввинчивают в металлическое гнездо, прикрепленное к щитку. Диск же оттягивают от щитка и насаживают центральным отверстием на винт шарнира, на который затем навинчивают рукоятку. При таком положении диска все шарики поднимаются на уровень белой линии, имеющейся на лицевой стороне щитка. При этом муфты на спицах должны быть опущены. Рукой вращают рукоятку так, чтобы она описывала боковую поверхность конуса. При этом возникает непрерывный процесс распространения поперечной волны. От направления вращения зависит направление распространения волн, а от скорости вращения – скорость распространения волн. Чтобы увеличить амплитуду колебаний, увеличивают радиус вращения рукоятки. В процессе демонстрации обращают внимание на два различных явления: колебательное движение частиц и распространение колеба123 тельного движения. Оба эти движения взаимно перпендикулярны. Поэтому волны, в которых частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, называются поперечными. На опыте показывают, что за время полного колебания любой из частиц колебательное движение распространяется на расстояние, равное длине волны. Обращают также внимание на разность фаз колебаний отдельных частиц и дают понятие о длине волны как о расстоянии между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе. Процесс образования продольной волны вначале показывают также на опыте со связанными маятниками. Для этого первый шарик отклоняют от положения равновесия в плоскости, проходящей через нити маятников, и, отпустив, наблюдают, как последовательно раскачиваются второй и третий шарики. Представление о продольной волне создают с помощью волновой машины. Для этого диск машины устанавливают в положение так, чтобы все шарики опустились к нижней планке прибора. Взявшись за ручку нитяного зажима, вращают ее по окружности, начерченной на щитке. При этом маятник с шариками совершают колебательное движение и создают картину распространения продольных волн (рис. 10). В продольной волне так же, как и в поперечной, частицы колеблются с одинаковым периодом и амплитудой и каждая последующая отстает от предыдущей по фазе. Различают эти два вида волн лишь направлением колебания частиц. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения Рис. 10 волны. Вследствие этого частицы среды то сближаются, то удаляются друг от друга, т.е. процесс распространения продольной волны сопровождается перемещением областей сгущения и разрежения. Изменяя скорость вращения нитяного зажима, демонстрируют изменение скорости распространения волны. Показывают, что при изменении вращения зажима изменяется направление распространения волн, а при увеличении радиуса вращения увеличивается амплитуда колебания частиц. Обращают внимание также на то, что точки, отстоящие друг от друга на расстоянии волны, имеют одинаковые фазы. 124 XV. ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ Для выполнения работы необходимо знать: источники и приемники звука; механизм распространения звуковых волн; свойства звуковых волн; понятие интерференции звука; объективные характеристики звука; субъективные характеристики звука. Опыт 1. Источники и приемники звука Оборудование: 1) генератор звуковой, 2) громкоговоритель электродинамический (динамик), 3) микрофон электродинамический, 4) усилитель низкой частоты, 5) камертон на резонаторном ящике, 6) струна, натянутая на металлическом стержне, 7) сирена дисковая или зубчатая, 8) машина центробежная червячная, 9) молоточек резиновый для возбуждения камертонов, 10) провода соединительные с наконечниками. Вначале рассматривают источники, в которых звук возникает в результате свободных колебаний. С этой целью демонстрируют звучание камертона (рис. 11). Его берут в руку за ножку и возбуждают ударом резинового молоточка. Камертон издает чистый, но негромкий звук. Последнее объясняют тем, что звуковые волны, возникающие от ветвей камертона, интерферируют между собой и в значительной степени Рис. 1.1 гасят друг друга. Это заставляет на практике соединять камертон с каким-либо другим хорошим источником излучения, который под действием камертона совершает вынужденные колебания. Для демонстрации этого звучащий камертон сначала держат в руке, затем ставят ножкой на крышку стола и, наконец, помещают на резонаторный ящик. Учащиеся совершенно отчетливо замечают разницу в громкости звучания во всех трех случаях. Повертывая камертон резонаторным ящиком от учащихся, а затем к ним, показывают, что ящик, кроме того, действует подобно рупору, направляя звуковые волны в одну сторону. 125 Далее демонстрируют звучание струны от гитары или мандолины. Ее натягивают между двумя зажимами на длинном металлическом стержне от универсального штатива. Возбуждают струну рывком руки, выясняют, что струна как излучатель звука хуже, чем камертон. Однако громкость резко возрастает, если стержень положить на стол. Увеличение громкости объясняют тем, что теперь вместе со струной колеблется и крышка стола. Аналогично действуют дека различных музыкальных инструментов. Указанные источники обладают сравнительно малым затуханием, и создаваемые ими звуки имеют периодический характер. Такие звуки называют музыкальными тонами. Однако если скорость затухания источника велика, то звуки почти теряют свою музыкальность и приобретают характер удара или щелчка. Такие быстро затухающие колебания демонстрируют на звуках, возникающих, например, при ударе двух деревянных дощечек. В некоторых источниках звук возбуждается в результате возникновения автоколебаний, например, в смычковых и духовых музыкальных инструментах, а также в голосовом аппарате человека. Наконец, демонстрируют источники, в которых звук создается в результате вынужденных колебаний. Демонстрируют опыт с сиреной (рис. 1.2), которую приводят в равномерное вращение с помощью центробежной машины. Отмечают, что в этом случае звук возникает от частых ударов зубцов по краю упругой картонки (сирена зубчатая) или отверстий (сирена дисковая). Картонка при этом совершает лишь выРис. 1.2 нужденные колебания. Частота этих колебаний определяется числом зубьев или отверстий сирены и скоростью ее вращения. Затем демонстрируют наиболее распространенные в настоящее время электроакустические излучатели – громкоговоритель электродинамический (динамик) и микрофон электродинамический. Указанные излучатели подключают поочередно к звуковому генератору и заставляют звучать на различных частотах при различной громкости (рис. 1.3, 1.4). Обращают внимание учащихся, что диффузор громкоговорителя и мембрана микрофона лишь воспроизводят колебания, вызванные переменным электрическим током звуковой частоты. 126 Рис. 1.3 УНЧ Рис. 1.4 Динамический микрофон включают на вход усилителя низкой частоты и подносят к нему какой-нибудь источник звука, например, звучащий камертон на резонаторном ящике, демонстрируя громкий звук того же тона. Опыт 2. Осциллографирование звука Оборудование: 1) осциллограф электронный, 2) микрофон электродинамический, 3) генератор звуковой, 4) громкоговоритель электродинамический, 5) камертон на резонаторном ящике, 6) камертон с пером, 7) стержень из полосовой стали с резонаторами, 8) аппарат проекционный с приспособлением для горизонтальной проекции, 9) молоточек резиновый для возбуждения камертонов, 10) пластина стеклянная закопченная, 11) провода соединительные с наконечниками, 12) усилитель низкой частоты (УНЧ). Самый простой способ записи колебаний камертона – запись на закопченной стеклянной пластинке (рис. 2.1). На верхнюю, горизонтально расположенную, линзу проекционного аппарата помещают предварительно закопченную с одной стороны стеклянную пластинку. Сделав на ней небольшую царапину, перемещая объектив, получают на экране ее резкое изображение. Рис. 2.1 127 Затем возбуждают камертон с пером и быстро проводят им по закопченному стеклу. На черном фоне экрана наблюдают образование светлой синусоиды. Далее собирают установку по рисунку 2.2. На вход осциллографа включают электродинамический микрофон. Перед микрофоном устанавливают звучащий камертон на резонаторном ящике и, пользуясь регуляторами изменения частоты горизонтальной развертки и амплитуды, получают на экране устойчивое изображение синусоиды. УНЧ Рис. 2.2 Свободные колебания камертона и резонирующего столба воздуха в ящике через некоторое время затухают вследствие потери энергии на трение и излучение звука. Тогда камертон возбуждают снова ударом резинового молоточка и продолжают наблюдение. Затем к микрофону подносят поочередно на некоторое время возбужденную струну, громкоговоритель, соединенный со звуковым генератором. Для каждого источника получают устойчивую осциллограмму. Наблюдая осциллограммы, убеждаются, что каждый источник звука имеет свой график колебания. У камертона и громкоговорителя, совершающего вынужденные колебания, графики имеют вид синусоиды, следовательно, указанные источники являются гармоническими. Свободные колебания струны имеют сложный негармонический характер. В качестве другого примера сложных колебаний получают осциллограммы отдельных гласных и шипящих звуков, а также шума. Периодические и близкие к периодическим звуки называют музыкальными онами. Звуки, излучаемые камертоном и громкоговорителем, питаемым от звукового генератора, дают представление о чистом музыкальном тоне. В заключении опыта демонстрируют узлы и пучности стоячей волны, возбужденной в стержне (рис. 2.3). Для этого стержень из полосовой стали, настроенный на тон «ля» (440 Гц), укладывают на подставки с резиновыми амортизаторами (резиновые амортизаторы помещают под метками, нанесенными на стержне). Резиновым молоточком 128 резко ударяют по центру стержня, возбуждая в нем звук. Затем к середине стержня сверху подносят микрофон, соединенный с осциллографом, и получают устойчивую осциллограмму колебаний стержня. УНЧ Рис. 2.3 Вновь возбуждая поперечные колебания в стержне, медленно передвигают вдоль него микрофон на высоте 2–3 см, наблюдая непрерывное изменение амплитуды колебаний на экране осциллографа. Когда микрофон оказывается на краях и в середине стержня, амплитуда колебаний достигает наибольшего значения, над резиновыми амортизаторами она стремится к нулю. Опыт 3. Звукопроводность различных сред Оборудование: 1) насос вакуумный Комовского с резиновым шлангом, 2) тарелка вакуумная, 3) колокол стеклянный, 4) звонок электрический демонстрационный, 5) камертон на резонаторном ящике, 6) набор различных стержней (железный, деревянный, резиновый) длиной 15–20 см и диаметром 1–2 см, 7) стакан высокий ВН-500 с водой, 8) выпрямитель ВС-24М, 9) молоточек резиновый для возбуждения камертонов, 10) провода соединительные с наконечниками, 11) кусок микропористой резины. Вначале демонстрируют звучащий электрический звонок, размещенный под колоколом воздушного насоса (рис. 3.1). Откачивают воздух и наблюдают, что звук постепенно слабеет и, наконец, становится очень тихим. Если снова впустить воздух, то громкость звука восстанавливается. Рис. 3.1 129 Этот опыт раскрывают роль среды в передаче звука. Для увеличения выразительности этого опыта звонок под колоколом ставят на подставку из микропористой резины. Затем демонстрируют различную звукопроводимость твердых и жидких тел. На крышке резонаторного ящика устанавливают деревянный стержень, к верхнему концу которого прижимают возбужденный камертон (рис. 3.2а). Звучание камертона резко усиливается. Опыт повторяют с другими телами: железным стержнем и микропористой резиной. а б Для демонстрации звукопроводимоРис. 3.2 сти воды ее наливают в высокий стакан (рис. 3.2б), который также ставят па крышку резонаторного ящика. Ножку камертона располагают в отверстии корковой или деревянной пробки, диаметр которой на 1–2 см меньше диаметра сосуда. Затем возбуждают камертон и опускают его на воду. Громкость звука заметно усиливается, что доказывает хорошую звукопроводность воды и сосуда. Опыт 4. Зависимость высоты тона звука от частоты колебаний и скорости движения источника Оборудование: 1) генератор звуковой, 2) осциллограф электронный, 3) громкоговоритель электродинамический, 4) провода соединительные с наконечниками. Связь высоты тона звука с частотой колебаний можно продемонстрировать с помощью зубчатой или дисковой сирены. Однако более выразительно это можно показать с помощью звукового генератора и электронного осциллографа. Собирают установку по рисунку 4. К выходным зажимам звукового генератора подключают электродинамический громкоговоритель, а параллельно ему – вход Рис. 4 вертикального усилителя электронного осциллографа. Заставляют негромко звучать громкоговоритель на частоте 300–500 Гц и настраивают осциллограф так, чтобы на его экране получилась устойчивая осциллограмма, при частоте горизонтальной развертки 30–50 Гц. 130 Затем, поворачивая ручку звукового генератора, медленно изменяют частоту звучания громкоговорителя, начиная от низких частот (20 Гц) до самых высоких (20 000 Гц). По мере повышения частоты учащиеся слышат повышение тона звука. Одновременно они видят на экране осциллографа увеличение частоты колебаний без изменения величины их амплитуды, устанавливают, что чем больше частота колебаний, тем выше тон звука. После этого на опыте определяют граничные частоты слуха. Для этого снова проходят весь диапазон звукового генератора и замечают для себя момент появления, а затем момент исчезновения звука. Таким образом устанавливают, что ухо человека реагирует на механические колебания в широком интервале частот, примерно от 20 до 20 000 Гц, причем границы этого интервала размыты. При этом следует иметь в виду, что интервал слышимых частот зависит также от силы звука, которая применяется в опыте. Опыт 5. Сила и громкость звука Оборудование: 1) генератор звуковой, 2) электронный осциллограф, 3) усилитель низкой частоты (УНЧ), 4) микрофон и громкоговоритель электродинамические, 5) гальванометр демонстрационный от амперметра с самодельным шунтом на 1 А (~), 6) провода соединительные с наконечниками. Сила, или интенсивность, звука характеризуется величиной энергии, проходящей за 1 с через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространения звуковых волн. На опыте обычно измеряют не величину энергии, а одну из величин, связанную с силой звука, – скорость колебания частиц среды или давление звуковых волн. В школьных условиях проще показать принцип измерения второй величины. Рис. 5 131 Звуковое давление можно измерить с помощью микрофона, в цепь которого включен измерительный прибор. Метод основан на прямой зависимости электродвижущей силы, возникающей в микрофонной цепи, от величины давления звуковых волн, падающих на мембрану микрофона. Для демонстрации опыта собирают установку по рисунку 5. Динамический микрофон включают на вход усилителя низкой частоты, а выход усилителя соединяют с демонстрационным гальванометром, включенным для измерения переменного тока. Перед микрофоном располагают громкоговоритель, включенный на выход звукового генератора. Перемещая микрофон относительно громкоговорителя, демонстрируют зависимость измеряемой величины тока гальванометра от расстояния между источником и приемником звука. Если шкалу гальванометра проградуировать в единицах силы звука, то, таким образом, можно получить измерительный прибор. Изменяя частоту генератора, наблюдают зависимость регистрируемого тока от высоты тона звука. Для демонстрации зависимости силы звука от амплитуды колебаний звучащего тела, в прежней установке, параллельно громкоговорителю включают осциллограф, на экране которого получают устойчивую картину колебаний. Пользуясь регулятором выхода звукового генератора, увеличивают амплитуду синусоиды на экране осциллографа в два, три раза, при этом ток гальванометра возрастает соответственно в четыре и в девять раз. Из опыта делают вывод, что сила звука прямо пропорциональна квадрату амплитуды колебаний источника звука. Далее демонстрируют зависимость силы звука от площади излучаемой поверхности. Это проще всего показать с помощью камертона. Звучащий камертон держат в руке, затем быстро ставят его на крышку стола. Звук заметно усиливается, при этом время звучания сокращается. Кроме объективной оценки силы звука по величине давления звуковых волн или амплитуде колебаний звучащего тела, существует еще субъективная оценка звука – громкость. Необходимо показать, что сила звука и громкость – понятия неравнозначные. Громкость звука, как это следует из только что проделанных опытов, зависит от силы звука. Чем больше сила звука, тем он кажется громче, но связь этих двух величин сложная, характер этой связи трудно установить на опытах в школе. Громкость звука зависит также от частоты колебаний источника звука. Для демонстрации этой зависимости повторяют первую часть предыдущего опыта. Но теперь внимание учащихся обращают не на высоту тона, а на изменение громкости звука. При этом сила звука должна все время оставаться постоянной (последнюю контролируют по амплитуде колебаний на экране осциллографа). Опыт показывает, что звуки одинаковой силы, но различной частоты ощущаются с различной громкостью. С возрастанием частоты громкость звука вначале 132 постепенно увеличивается, а затем, по мере приближения к частоте 20 000 Гц, быстро уменьшается до 0. Звуки, лежащие в интервале 1 000–3 000 Гц, воспринимаются с наибольшей громкостью, поэтому частота 1 000 Гц в звуковых измерениях принимается за основную, относительно которой оценивается громкость других звуков. Опыт 6. Интерференция звуковых волн Оборудование: 1) генератор звуковой, 2) громкоговорители электродинамические – 2 шт., 3) усилитель низкой частоты (УНЧ), 4) микрофон электродинамический, 5) гальванометр демонстрационный от амперметра с самодельным шунтом на 1 А (~), 6) метр демонстрационный, 7) провода соединительные с наконечниками. Два одинаковых громкоговорителя устанавливают на расстоянии 1 м от микрофона, соединенного с демонстрационным гальванометром от вольтметра (используйте добавочное сопротивление на 5 В) через усилитель низкой частоты (рис. 6). Рис. 6 Замечание. Использовать гальванометр от амперметра с самодельным шунтом на 1 А (~). К звуковому генератору подключают первый громкоговоритель и возбуждают его на частоте 3 000 Гц при небольшой громкости. Гальванометр обнаруживает ток. Пользуясь регулятором усилителя низкой частоты, подбирают выходной ток такой величины, чтобы стрелка гальванометра отклонилась примерно до половины шкалы. Выключают первый громкоговоритель и включают второй; наблюдая за показаниями гальванометра, демонстрируют ток прежней величины. После этого включают параллельно оба громкоговорителя и наблюдают увеличение тока в два раз. Если при этом ток уменьшается, то следует поменять концы проводов у одного из громкоговорителей, чтобы их диффузоры колебались в одинаковых фазах. Обратив внимание на когерентность источников звука, приступают к демонстрации опыта. 133 Один из громкоговорителей медленно приближают к микрофону и наблюдают периодическое изменение величины тока. Когда расстояние между громкоговорителями равно нечетному числу полуволн, ток в цепи микрофона уменьшается до нуля. Когда же разность хода волн становится равной четному числу полуволн, ток достигает наибольшей величины, обе волны в этом случае достигают микрофона в одинаковых фазах и при сложении усиливают друг друга. При частоте 3 000 Гц максимумы и минимумы чередуются примерно через 17 см, т.е. через половину длины волны звука в воздухе. Расстояние между громкоговорителями измеряют для каждого случая с помощью демонстрационного метра. Зная это расстояние и частоту звука, можно определить скорость звука в воздухе. Замечание. Ручку усилителя низкой частоты поворачивать плавно. Опыт 7. Отражение звуковых волн Оборудование: 1) генератор звуковой школьный, 2) усилитель низкой частоты (УНЧ), 3) громкоговоритель электродинамический, 4) микрофон электродинамический, 5) гальванометр демонстрационный от амперметра с самодельным шунтом на 1 А (~), 6) экран металлический, 7) провода соединительные с наконечниками. На вход усилителя низкой частоты включают микрофон, а на выход – демонстрационный гальванометр от амперметра с самодельным шунтом на 1 А (~) для измерения переменного тока. Выход звукового генератора соединяют с громкоговорителем. Микрофон и громкоговоритель располагают друг от друга на расстоянии 1 м и развертывают так, чтобы оси их пересекались у края демонстрационного стола (рис. 7). Возбуждают громкоговоритель на частоте 3 000–5 000 Гц и убеждаются в отсутствии приема звука микрофоном. Если гальванометр от вольтметра обнаруживает слабый ток, то микрофон немного перемещают на столе, добиваясь исчезновения тока, помещая его в узел давления образовавшейся стоячей волны. Рис. 7 134 На краю стола ставят плоский металлический экран и медленно поворачивают его вокруг вертикальной оси, чтобы получить наилучшее отражение волн. При некотором положении экрана отраженные волны попадают в микрофон и гальванометр обнаруживает ток. В момент наибольшего тока положение экрана фиксируют и отмечают равенство углов падения и отражения звуковых волн. Опыт повторяют при частоте 5 000–6 000 Гц и убеждаются, что с повышением частоты направленность отражения звука возрастает, даже незначительный поворот экрана приводит к резкому изменению величины тока. Затем экран покрывают какой-либо мягкой тканью и убеждаются, что отражение звука заметно ухудшается. Поглощение возрастает также с увеличением частоты звука. Опыт 8. Звуковой резонанс Оборудование: 1) генератор звуковой, 2) громкоговоритель электродинамический, 3) камертоны на резонаторных ящиках, 4) шарик на нити, 5) штатив универсальный, 6) молоточек резиновый для возбуждения камертонов. Два одинаковых камертона на резонаторных ящиках располагают на расстоянии 20–30 см так, чтобы отверстия ящиков были обращены друг к другу. Ударом резинового молоточка возбуждают один из камертонов и через 3–5 с рукой гасят колебания. Учащиеся слышат звук, который издает другой камертон, возбудившись вследствие резонанса. Расстраивают камертоны, надев на ветвь одного из них резиновое колечко. Повторяют опыт и убеждаются в отсутствии звучания второго камертона. Выразительность опыта значительно увеличивается, если один из камертонов заменить громкоговорителем, возбуждаемым от звукового генератора. Громкоговоритель располагают около открытого конца резонаторного ящика на расстоянии 10–15 см. К камертону приближают маленький шарик, подвешенный на нити длиной 40–50 см (рис. 8). Ручкой регулятора плавно изменяют высоту тона. Когда частота звука от громкоговорителя будет близка к собственной частоте колеРис. 8 баний камертона, возникает явление резонанса (ν колебаний ножек камертона ≈ 440 Гц). Его обнаруживают по резкому усилению амплитуды отскакивания шарика от ветви камертона или по звучанию камертона, если выключить громкоговоритель. Замечание. Частота колебаний ножек камертона написана на камертоне (будьте внимательны). 135 XVI. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ЗАКРЫТОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ Для выполнения работы необходимо знать: виды электромагнитных колебаний; понятие «колебательный контур»; уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре; основные характеристики электромагнитных колебаний (амплитуда, период, частота, фаза колебаний); формулу Томсона. Опыт 1. Медленные затухающие колебания Оборудование: 1) гальванометр от демонстрационного амперметра, 2) батарея конденсаторов емкостью 58 мкФ, 3) выпрямитель универсальный ВУП-2, 4) катушка дроссельная с сердечником, 5) вольтметр для измерения постоянного напряжения до 150 В, 6) переключатель однополюсный, 7) соединительные провода с наконечниками. Соберите схему по рисунку 1, где С – батарея конденсаторов емкостью 58 мкФ, L – катушка дроссельная с замкнутым сердечником от универсального трансформатора (обмотка, состоящая из 3 600 витков, соединенРис. 1 ная с батареей конденсаторов, образует колебательный контур; индуктивно связанная с ней однослойная обмотка 40 витков, соединяется с гальванометром), Г – гальванометр от демонстрационного амперметра, К – переключатель однополюсный, U – источник постоянного тока напряжением 100–120 В. Демонстрация 1. Посредством однополюсного переключателя, переключая поочередно батарею конденсаторов на заряд от источника тока и на разряд через дроссельную катушку, показывают, что разряд конденсатора имеет колебательный характер: стрелка гальванометра совершает несколько затухающих колебаний с частотой около 2 Гц. 2. Для демонстрации того, что колебания в контуре являются свободными, т.е. частота колебаний зависит только от параметров самого контура, уменьшая попеременно емкость батареи и число витков катушки в контуре, наблюдают увеличение частоты колебаний стрелки. 136 Опыт 2. Затухающие электрические колебания Оборудование: 1) осциллограф электронный, 2) батарея конденсаторов емкостью 58 мкФ, 3) катушка от универсального трансформатора на 120–220 В, 4) трансформатор универсальный, 5) диод из набора полупроводниковых приборов, 6) реостат сопротивлением 100 Ом, 7) регулятор напряжения школьный, 8) провода соединительные с наконечниками. Соберите схему по рисунку 2, где С – батарея конденсаторов емкостью 58 мкФ, L – катушка от универсального трансформатора 120 В, R – реостат, D – диод, Тр – трансформатор, ОЭ – осциллограф. Рис. 2 Демонстрация При однополупериодном выпрямлении импульсы переменного тока, снятые с вторичной обмотки трансформатора напряжением 6В, проходя через полупроводниковый диод, периодически заряжают конденсатор. В промежутках между импульсами конденсатор разряжается через катушку и реостат. Разряд имеет колебательный характер, и на экране осциллографа наблюдается осциллограмма затухающих колебаний: 1. Сначала, отключая конденсатор (выдвинув стержень на 0), демонстрируют кривую импульсов при однополупериодном выпрямлении, настроив осциллограф так, чтобы на оси ОХ поместились два периода. 2. Включив конденсатор, наблюдают две осциллограммы затухающего колебания, уменьшая частоту развертки, увеличивают масштаб так, чтобы одна осциллограмма колебаний заняла весь экран (нарисуйте в тетради осциллограмму). 3. Изменяя емкость конденсатора и индуктивность катушки, вдвигая или выдвигая сердечник, показывают изменение частоты колебаний при затухании (нарисуйте в тетради осциллограмму). 4. Изменяя сопротивление реостата от минимального до максимального значения, наблюдают изменение начальной амплитуды и времени затухания (нарисуйте в тетради осциллограмму). 137 Опыт 3. Медленные незатухающие электрические колебания Оборудование: 1) катушка дроссельная с сердечником, 2) трансформатор универсальный, 3) батарея конденсаторов емкостью 58 мкФ, 4) гальванометр от демонстрационного вольтметра, 5) панель ламповая с триодом, 6) громкоговоритель электродинамический, 7) катушка на 120–220 В от универсального трансформатора, 8) ВУП-1 (выпрямитель универсальный), 9) выключатель однополюсный, 10) провода соединительные с наконечниками. Рис. 3 Соберите схему по рисунку 3, где С – батарея конденсаторов емкостью 58 мкФ, L1 и L2 – обмотки дроссельной катушки (L1 – 2 400 витков, L2 – 25 витков), L3 – катушка от универсального трансформатора 220 В, Г – гальванометр, К – выключатель, Тр – триод, Uн – источник переменного напряжения 6,3 В, U – источник постоянного напряжения 0–250 В. Демонстрация 1. Установить ручку регулировки U на середину, включить батарею конденсаторов на полную емкость, замкнуть ключ, через некоторое время прогрева триода генератор начинает действовать. Период колебаний приблизительно равен 0,5 с. Если колебания не возбуждаются, необходимо либо уменьшить емкость, либо согласовать включение обмоток катушки, меняя местами провода на зажимах катушки трансформатора. 2. Для возбуждения колебаний генератора необходим достаточно сильный импульс анодного тока в катушке обратной связи, возникающий в момент замыкания анодной цепи. Для демонстрации этого явления во время действия генератора плавно ручкой потенциометра уменьшают напряжение в анодной цепи до нуля, колебания прекращаются, далее медленно вновь увеличивают анодный ток и показывают, что при этом колебания не возникают. Достаточно, однако, выключателем разомкнуть и вновь замкнуть цепь, генератор начинает действовать. 3. Опыт повторяют, меняя местами провода на зажимах катушки обратной связи, наблюдается только единичный отброс стрелки гальванометра, колебания не возникают. 138 4. Показывают увеличение частоты колебаний при уменьшении емкости и индуктивности контура, при значительном увеличении частоты, когда сильная вибрация стрелки может повредить гальванометр, вместо гальванометра включают громкоговоритель; уменьшая емкость до нуля, наблюдают звук низкого тона. При сдвигании ярма сердечника тон повышается. Опыт 4. Резонанс колебательных контуров Оборудование: 1) генератор УВЧ, 2) выпрямитель универсальный ВУП-1, 3) контур настраивающийся, состоящий из проволочного витка, конденсатора переменной емкости и лампы накаливания, 4) провода соединительные с наконечниками. Соберите схему по рисунку 4. Рис. 4 Демонстрация Включая генератор, медленно приближая контур, поворачивают ручку конденсатора, наблюдают, как постепенно загорается и гаснет лампочка. В этом опыте амплитуда вынужденных колебаний, возбуждаемых в колебательном контуре переменным магнитным полем генератора, увеличивается по мере приближения собственной частоты контура к частоте генератора. Когда частоты сравняются, амплитуда колебаний достигает максимальной величины, что сопровождается максимальной яркостью горения лампочки. 139 XVII. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И ДИФРАКЦИЯ Для выполнения работы необходимо знать: принцип Гюйгенса; явление дифракции света; явление интерференции света; принцип Гюйгенса – Френеля; устройство прибора «бипризма Френеля»; устройство прибора «кольца Ньютона»; устройство дифракционной решетки; теорию опытов. Опыт 1. Волны на поверхности воды Оборудование: прибор для демонстрации волновых явлений. Круговые волны получают, используя насадку с одним круговым ударником. Ударник должен находиться в центре кадрового окна предметного столика. Чтобы показать распространение волн в замедленном темпе, ручку вариатора поворачивают в ту или иную сторону и наблюдают за изменением движения видимых на экране волн. Расходящиеся на экране светлые и темные изображения соответствуют гребням и впадинам волн. Скорость видимого движения волн можно изменять вариометром до нуля, но не рекомендуется изменять его на обратное, чтобы не отвлекать внимание учащихся от изучаемого явления. Легко показать учащимся, что возникающие от точечного источника волны распространяются по всем направлениям с одинаковой скоростью, вследствие чего фронт имеет форму окружности (рис. 1.1). Чтобы показать поперечность волн и то, что волна не переносит среду, в которой она распространяется, на поверхность воды бросают небольшие кусочки пробки, дерева и т.п. и наблюдают, что при перемещении волн эти предметы не Рис. 1.1 сдвигаются по направлению распространения волн, а только совершают вертикальные движения. 140 Для получения линейных волн укрепляют насадку с плоским ударником и устанавливают его так, чтобы его изображение оказалось на краю экрана (рис. 1.2). Чтобы изображение волны имело прямоугольную форму, все участки ударника должны касаться поверхности воды одновременно. Опустив на пути линейных волн плоский экран, получают отражение волны. Изменяя угол между плоским экраном и направлением движения падающих на него волн, наблюдают выполнение закона отражения волн (рис. 1.3). Рис. 1.2 Рис. 1.3 Опыт 2. Интерференция волн Оборудование: прибор для демонстрации волновых явлений. Интерференцию поверхностных волн наблюдают, укрепив насадку с двумя круглыми ударниками, которые должны касаться воды одновременно и находиться у края экрана (рис. 2). Остановив регулятором стробоскопа видимое движение волн, можно наблюдать устойчивую интерференционную картину. Светлые участки соответствуют минимумам (поверхность воды непоРис. 2 движна), а наиболее темные – максимумам интерференции (частицы воды на поверхности колеблются с удвоенной амплитудой). 141 Опыт 3. Дифракция волн Оборудование: прибор для демонстрации волновых явлений. Огибания волнами препятствия показывают, помещая на пути линейных волн перпендикулярно к направлению их распространения сначала плоский экран, затем большой, а потом малый параллелепипеды и наблюдая изменение направления распространения волн у краев предмета и образование тени (рис. 3.1). Дифракцию волн при прохождении через щели различной ширины демонстрируют с помощью двух плоских экранов (рис. 3.2). Замечают, что при сравнительно большой ширине щели огибание краев экрана волнами невелико, усиливается при ее уменьшении и при уменьшении ширины щели до размеров длины волны, за щелью появляются круговые волны, как от точечного источника. Одновременное наблюдение дифракции и интерференции волн можно наблюдать, установив на пути линейных волн в центре ванны параллелепипед, а с двух сторон на близком расстоянии от него два плоских экрана, образуя две узкие щели (рис. 3.3). Рис. 3.1 Рис. 3.2 Рис. 3.3 Опыт 4. Принцип Гюйгенса Оборудование: прибор для демонстрации волновых явлений. Используя опыт 3, можно продемонстрировать действие принципа Гюйгенса: каждая точка фронта волны является источником вторичных волн. 142 Опыт 5. Демонстрация полос интерференции от бипризмы Френеля Оборудование: 1) проекционный аппарат (ФОС-115) с лампой накаливания, 2) бипризма Френеля, 3) щель раздвижная, 4) экран, 5) светофильтры, 6) цилиндрическая рассеивающая линза. Этот опыт очень важен в методическом отношении, так как дает возможность выявить волновую природу света. Из принципиальной схемы опыта (рис. 5) видно, что явление обусловлено наличием двух мнимых изображений щели (когерентных «источников света»), образуемых бипризмой на очень близком расстоянии друг от друга. Рис. 5. а – осветитель (ФОС-115), б – конденсор, в – щель, г – бипризма Френеля, д – экран При помощи конденсора на поверхности ширмы с раздвижной щелью получают яркое светящееся пятно от источника света, полностью покрывающее щель. На пути узкого пучка света за щелью помещают бипризму Френеля на расстоянии приблизительно 6 см от щели. Ребро бипризмы должно быть строго параллельно щели и находиться с ней в одной вертикальной плоскости, проходящей вдоль главной оптической оси конденсора. Затем постепенно уменьшают ширину щели до 0,1–0,05 мм. Тогда на экране, установленном на расстоянии 1,5–2 м образуется изображение в виде цветных интерференционных полос. Установив голубой, светло-зеленый или светло-оранжевый светофильтр, можно наблюдать чередующиеся светлые и темные полосы. После этого экран поворачивают на некоторый угол в сторону класса и получают растянутое изображение интерференционных полос шириной 3–4 см. Еще больше расширить интерференционную картину можно, установив за бипризмой диафрагму, а за ней рассеивающую цилиндрическую линзу с фокусным расстоянием 50 мм (с оптической силой D = –20 дптр). 143 Опыт 6. Демонстрация дифракции света на тонкой нити Оборудование: 1) проекционный аппарат (ФОС-115), 2) щель раздвижная, 3) нить на рамке, 4) экран. Установку собирают по схеме (рис. 8), где изображены общий вид и принципиальная схема с указанием расстояний между элементами. Щель перед опытом должна быть тщательно очищена от пыли. Нить или проволоку диаметром 0,1–0,05 мм натягивают на рамку и концы ее приклеивают к рамке. Вначале без нити получают на экране резкое изображение щели с равномерным освещением по всему его полю. С этой целью перемещают источник света, конденсор и щель так, чтобы «ребро» нити лампы было расположено параллельно щели и находилось с ней на оптической оси конденсора. Затем пред щелью устанавливают нить параллельно щели. Медленно уменьшают ширину щели и получают на экране четкие полосы дифракционного спектра. При повороте экрана на 40–45° (как показано на рисунке 8.1) ширина спектра увеличивается. График распределения яркости полос дифракционного спектра (рис. 8.2) объясняет трудность наблюдения полос дифракции после второго порядка. Рис. 8.1 а – источник света (ФОС-115), б – конденсор, в – щель, г – нить на рамке, д – экран 144 Рис. 8.2 Опыт 7. Дифракция света от узкой щели Оборудование: 1) проекционный аппарат (ФОС-115), 2) щели раздвижные – 2 шт., 3) экран. Лампу проекционного аппарата, как и в предыдущем опыте, устанавливают так, чтобы ее спираль оказалась на оптической оси конденсора и была обращена к нему «ребром». Первую от конденсора щель закрепляют в таком месте, чтобы световой пучок от конденсора полностью освещал щель. Щель располагают строго параллельно спиралям лампы и устанавливают ширину щели приблизительно 0,2 мм. Вторую щель устанавливают строго параллельно первой на оптической оси конденсора. Затем осторожно вторую щель отодвигают на нужное расстояние (рис. 9). Рис. 9 а – источник света (ФОС-115), б – конденсор, в – щель № 1, г – щель № 2, д – экран Медленно уменьшают ширину второй щели и наблюдают за изображением на экране. При этом ширина и освещенность светлой полоски на экране уменьшается и становится видной дифракционная картина. При недостаточной резкости линий дифракции надо попробовать увеличить ее небольшими поворотами одной щели относительно другой. При дальнейшем очень медленном уменьшении ширины второй щели можно заметить смену центральной яркости полосы дифракционной картины на темную и обратно. Этого же результата можно добиться осторожным перемещением второй щели вдоль светового луча. Опыт 8. Демонстрация колец Ньютона Оборудование: 1) проекционный аппарат (ФОС-115), 2) прибор «кольца Ньютона», 3) красный или оранжевый светофильтр, 4) диафрагма , 5) экран. 145 Прибор «кольца Ньютона» состоит из плоской пластинки и плосковыпуклой линзы с большим радиусом кривизны, заключенных в общую оправу так, что плоская пластинка прижимается к выпуклой части линзы. Используя регулировочные винты, изменяют воздушный зазор между поверхностями линзы и пластины так, чтобы визуально наблюдались цветные кольца правильной формы диаметром 20–25 мм. На пути светового пучка из проекционного аппарата под углом 45° к нему устанавливают прибор «кольца Ньютона» так, чтобы на его поверхности получилось ярко освещенное круглое пятно несколько большего размера, чем интерференционные кольца. Для устранения бликов между конденсором и прибором устанавливают диафрагму диаметром 30 мм, а на пути отраженного от поверхности прибора светового пучка ставят объектив проекционного аппарата и, перемещая его, получают на экране, расположенном на расстоянии 2–3 м, резкое изображение колец Ньютона (рис. 6.1). Поставив между прибором и диафрагмой светофильтр, наблюдают кольца в монохроматическом свете. Если использовать два сложенных светофильтра (красный и фиолетовый), установив их так, что линия их соприкосновения делит световой пучок пополам, можно выразительно показать различие в диаметре колец. Для одновременной демонстрации колец Ньютона в проходящем и отраженном свете рекомендуется добавить к установке еще один объектив и еще один экран (рис. 6.2). з ж Рис. 6.1 а – осветитель (ФОС-115), б – конденсор, в – диафрагма, г – кольца Ньютона, д – объектив, ж – экран 146 Рис. 6.2 а – осветитель (ФОС-115), б – конденсор, в – диафрагма, г – кольца Ньютона, д – объектив № 1, е – объектив № 2, ж – экран № 1, з – экран № 2 Опыт 9. Демонстрация интерференции света в тонких пленках Оборудование: 1) проекционный аппарат (ФОС-115), 2) рамка проволочная для мыльных пленок, 3) экран, 4) мыльный раствор. Проволочную петлю располагают на таком расстоянии от конденсора, чтобы она полностью помещалась в сходящемся световом пучке, и поворачивают так, чтобы угол падения был близок к 45° (рис. 7). Затем под петлю подводят стакан с мыльным раствором, поднимают его так, чтобы петля полностью погрузилась в раствор, и убирают стакан. Рис. 7 а – осветитель (ФОС-115), б – конденсор, в – проволочная петля, г – объектив с оборотной призмой, д – экран На пути отраженного от мыльной пленки света устанавливают объектив с оборотной призмой и экран. Перемещая объектив вдоль пучка, получают четкое изображение мыльной пленки с яркими цветными полосами интерференции. Если между пленкой и конденсором поместить светофильтр, то наблюдается ряд чередующихся темных и светлых полос, расположенных с постепенным уменьшением расстояний книзу вследствие того, что мыльный раствор, стекая под действием силы тяжести, образует вертикальный клин, обращенный острием вверх. Опыт 10. Получение спектра с помощью дифракционной решетки Оборудование: 1) проекционный аппарат (ФОС-115), 2) щель раздвижная, 3) решетка дифракционная со 100 штрихами на 1 мм, 4) светофильтр, 5) экран. 147 Опыт с дифракционной решеткой позволяет ознакомить учащихся с дифракционным спектром и одним из приближенных методов определения длины световой волны. Установку собирают по рисунку 10.1. Рис. 10.1 а – осветитель (ФОС-115), б – конденсор, в – щель, г – объектив, д – дифракционная решетка, е – экран Перед конденсором устанавливают раздвижную щель так, чтобы она была полностью освещена, затем устанавливают объектив так, чтобы получить на экране резкое изображение щели. На пути светового пучка, исходящего из объектива, ставят дифракционную решетку так, чтобы ее штрихи были параллельны щели. На экране при этом наблюдается дифракционная картина, состоящая из белой яркой полосы в ее середине (центральный максимум) и ряда спектров, симметрично расположенных справа и слева от нее. Более удаленные от середины спектры имеют большую ширину, но меньшую яркость. Это спектры первого, второго, третьего и т.д. порядков. Спектры всех порядков начинаются с фиолетовой полосы, за которой следуют все другие цвета с постепенным возрастанием длины световой волны, и заканчиваются красной полосой, причем фиолетовые полосы всех спектров расположены ближе к центральному максимуму. Расстояния цветных полос от середины картины пропорциональны длинам волн, что дает возможность легко определять длину волны света по дифракционному спектру. Спектры последовательных порядков могут накладываться друг на друга (рис. 10.2), что затрудняет использование более широких спектров высоких порядков. Рис. 10.2 После демонстрации спектра с одной решетки желательно показать спектр другой решетки с большим или меньшим числом штрихов на миллиметре для выяснения зависимости ширины спектра от периода решетки. 148 XVIII. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА. ПОНЯТИЕ О ФОТОМЕТРИИ Для выполнения работы необходимо знать: принцип Гюйгенса; сущность отражения света; понятие «тень» и «полутень»; понятия зеркального и диффузного отражения; понятие фронта волны; законы отражения света; сущность преломления света; законы преломления света; явление полного отражения; понятие «предельный угол» полного внутреннего отражения; оптические призмы; собирающие и рассеивающие линзы; тонкие линзы, формулу тонкой линзы; действительные и мнимые изображения; фокус линзы, фокальную плоскость; назначение и устройство фотометра сравнения; оптическую силу линзы; построение изображений в линзах и зеркалах. Опыт 1. Источники света. Распространение света Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики. Для получения пучков света с четкими границами необходимо установить нить накала лампы перпендикулярно плоскости экрана, для чего ослабить винт, фиксирующий патрон лампы, повернуть патрон в нужное положение и закрепить его винтом. Установить осветитель на доскеэкране, полностью открыв его шторку. Включив осветитель, обнаружить на экране «след» расходящегося светового пучка с четкими границами, исходящего из точечного источника (рис. 1.1). Установив на пути расходящегося пучка диафрагму, получить несколько узких пучков, которые в преРис. 1.1 деле следует рассматривать как лучи. 149 Убедиться, что эти пучки-лучи исходят из одной точки. Если глаз поместить на пути распространения расходящегося пучка света, то он видит светящуюся точку в том месте, откуда исходят лучи, т.е. точку их пересечения, где на самом деле находится точечный источник света (рис. 1.2). Расположив на пути расходящеРис. 1.2 гося пучка света от осветителя непрозрачную ширму, можно увидеть резко ограниченную область полной тени (рис. 1.3), образующейся при освещении точечным источником света. Свет двух осветителей, установленных недалеко друг от друга, направляют на непрозрачную ширму. При этом кроме областей полного света и полной тени на экране можно наблюдать области полутени (рис. 1.4). Рис. 1.3 Рис. 1.4 Опыт 2. Демонстрация отражения и преломления света на границе раздела двух прозрачных сред Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики. На доске-экране установить осветитель, шторкой сформировать узкий пучок света (луч) и прозрачный полудиск так, чтобы луч падал на ее середину. На экране должны быть видны отраженный и преломленный лучи (рис. 2). 150 Рис. 2 Опыт 3. Зеркальное и диффузное отражение света. Законы зеркального отражения. Плоское зеркало Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики. Расходящийся пучок света направляют на плоское зеркало, расположив на его пути многощелевую диафрагму. На экране видны отраженные пучки-лучи, которые расходятся, как и падающие на зеркало (рис. 3.1). На поверхность плоского зеркала кладут полоску белой бумаги. Рис. 3.1 Отраженные пучки-лучи исчезают, а на экране виден «след» рассеянного, диффузного отражения. Для демонстрации законов зеркального отражения плоское зеркало располагают вертикально в центре экрана и направляют на середину зеркала перпендикулярно к нему узкий луч света от одного осветителя. При этом отраженный луч от другого осветителя направляют в ту же точку зеркала под произвольным углом падения. При изменении этого угла изменяется и угол отражения, но они остаются равными друг другу, а лучи падающий и отраженный луч-перпендикуляр лежат в одной плоскости – плоскоРис. 3.2 сти экрана (рис. 3.2). Изображение светящейся точки можно продемонстрировать, используя схему рисунка 3.1, но без многощелевой диафрагмы, и, поместив глаз на пути отраженного пучка, наблюдать изображение светящейся точки, находящееся в месте пересечения продолжений лучей за экран. Изображение протяженного предмета можно продемонстрировать, используя два осветителя как крайние точки предмета, направив свет от них на плоское зеркало. Изображение крайних точек «предмета» можно наблюдать из области пересечения отраженных пучков света (рис. 3.2). 151 Опыт 4. Законы преломления света Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики. Создают два узких луча – лучперпендикуляр и падающий луч, пересекающиеся в центре круговой шкалы, но вместо плоского зеркала туда помещают плоский срез прозрачного полудиска (рис. 4). При изменении угла падения падающего луча изменяется и угол преломления, но отношение их синусов остается постоянным, а оба луча, как и лучперпендикуляр, лежат в одной плоскости – плоскости экрана. Рис. 4 Опыт 5. Преломление света треугольной призмой Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики. Явление демонстрируют по схеме рисунка (рис. 5). Узкий луч преломляется дважды, отклоняясь к основанию треугольника. Можно убедиться, что отклонение луча минимально при равенстве угла падения и угла выхода луча из призмы. Рис. 5 Опыт 6. Действие сферических линз Оборудование: прибор для изучения законов геометрической оптики. Собирающая двояковыпуклая линза, помещенная на пути расходящегося светового пучка, в зависимости от расстояния до осветителя превращает пучок в сходящийся, параллельный или расходящийся. Но даже в последнем случае угол расхождения лучей уменьшается, следовательно, эта линза во всех случаях оказывается собирающей (рис. 6.1). 152 Фокус собирающей линзы можно показать, разместив осветитель, диафрагму и две собирающие линзы по схеме рисунка 6.2, и обнаружить, что лучи, падающие на вторую линзу параллельным пучком, после преломления пересекаются в одной точке – главном фокусе. Рис. 6.1 Рис. 6.2 Рассеивающая линза независимо от расстояния до осветителя увеличивает угол расходимости лучей (рис. 6.3). Фокус рассеивающей линзы можно визуально представить, продолжив преломленные в ней лучи назад, за линзу до взаимного пересечения в одной точке. Схему используют как на рисунке 6.2, заменив вторую собирающую линзу рассеивающей. Для построения изображения точки необходимо и достаточно использовать два луча, которые после преломления в линзе или пересекаются сами в одной точке, давая действительное изображение, или расходятся, а их продолжения назад, за линзу, пересекаясь, дают мнимое изображение. Для этого устанавливают осветитель так, чтобы в качестве Рис. 6.3 этих двух лучей служили крайние (граничные) лучи излучаемого или светового пучка. Один из граничных лучей можно направить на центр линзы – он не преломляется, а другой – параллельно главной оптической оси; после преломления в собирающей линзе они пересекутся в одной точке, дав действительное изображение нити лампы осветителя; после рассеивающей линзы лучи разойдутся, но, продолжив их назад, за линзу можно определить положение мнимого изображения, которое можно увидеть, расположив глаз на пути расходящегося после линзы пучка (рис. 6.4). 153 Рис. 6.4 Получение изображения протяженного объекта демонстрируют, используя два осветителя как крайние точки объекта и направив свет от них на линзу. За собирающей линзой наблюдают две точки пересечения пучков от осветителей, которые можно считать крайними точками изображения объекта. (Каким при этом должно быть расстояние от осветителя до линзы?). За рассеивающей линзой надо поместить глаз в области, где пересекаются оба расходящихся пучка света, и наблюдать мнимое изображение «крайних точек объекта». Используя схему, рассмотренную выше с собирающей линзой, демонстрируют принцип действия фотоаппарата. Диафрагмируя линзу с помощью двух ширм, легко показать зависимость глубины резкости изображения от размеров входного отверстия объектива. Опыт 7. Сравнение силы света двух источников Оборудование: 1) фотометр демонстрационный, 2) фотоэлемент сернистосеребряный типа ФЭСС-У10 на подставке, 3) гальванометр демонстрационный от амперметра, 4) лампы электрические мощностью 60–100 Вm на подставке – 3 шт., 5) метры демонстрационные – 2 шт., 6) провода соединительные. Вначале учащихся знакомят с субъективным методом фотометрирования при помощи демонстрационного фотометра, а затем переходят к объективному с фотоэлементом. Для опытов используют фотометр с углом развертывания примерно в 120° (рис. 7.1). Рис. 7.1 154 Рис. 7.2 Основная часть прибора (рис. 7.2) – равнобедренная прямоугольная призма 1, грани которой окрашены белой матовой краской. Призма закреплена двумя винтами в оправе 2 с раструбом 3 и закрыта спереди стеклянным полупрозрачным (матовым) экраном 4, а сзади – защитным колпачком 5. Раструб защищает матовый экран от постороннего света, а защитный колпачок предохраняет призму от пыли. Устанавливается прибор в специальную подставку или треножник от универсального штатива. Перед демонстрацией колпачок 5 снимают, фотометр устанавливают на столе так, чтобы от источников свет (1 и 3 лампы по 75 Вт) проходил через середину граней призмы параллельно плоскости экрана (по одной лампе с каждой стороны) (рис. 7.3). Затем перемещают фотометр 2 или один из источников, чтобы получить одинаковую освещенность экрана. Далее производят измерения и расчеты. Рис. 7.3 Учащимся кратко поясняют, что во всех субъективных фотометрах имеются два сравниваемых световых поля, каждое из которых освещается только одним источником света. Такими полями в рассматриваемом фотометре являются белый экран. Поля располагаются всегда рядом друг с другом и не разделяются заметной границей. При работе с фотометром роль глаза сводится к установлению равенства освещенностей полей. После этого в затемненном классе показывают способы применения фотометра. Не поворачивая прибора, медленно перемещают его между горящими лампами и добиваются равенства освещенности его полей. Затем по демонстрационным метрам замечают расстояния от границы световых полей до источников. Зная силы света источников (I1 и I2) и расстояния их до фотометра (R1 и R2), устанавливают из опыта известное соотношение: I1 R12 I2 R22 . 155 Опыт повторяют с двумя электрическими лампами разной мощности и определяют силу света одного источника, приняв другой за эталон. Далее учащихся знакомят с другим способом установки фотометра. Для этого поля фотометра развертывают под углом в 90° и, чтобы величина угла оставалась постоянной, закрепляют перемычкой. Фотометр устанавливают на одинаковом расстоянии от тех же источников света и медленно поворачивают вокруг вертикальной оси, проходящей через границу световых полей (рис. 7.4). Выясняют, что при одинаковой освещенности фотометра силы света источников обратно пропорциональны косинусам углов падения пучков света: cos 1 АО cos 2 ОВ , где α1 и α2 – углы падения пучков света. Рис. 7.4 I1 cos 1 I 2 cos 2 Так как , то измерение углов α1 и α2 можно заменить измерением отрезков АО и ОВ по демонстрационным метрам, расположенным вдоль прямой, соединяющей источники. При работе с фотометром свет, идущий от ламп в аудиторию, необходимо закрыть от учащихся непрозрачными экранами. Наблюдение за фотометром во время опыта лучше вести одним глазом, так как в этом случае исчезает пространственное расположение полей и они как бы сближаются. Это повышает точность измерений. Метод объективной фотометрии можно демонстрировать с теми же источниками света, но вместо фотометра используют фотоэлемент, соединенный с демонстрационным гальванометром. Вначале фотоэлемент освещают первой лампой, установив ее на таком расстоянии, чтобы стрелка гальванометра остановилась на каком-либо целом делении шкалы. Затем вместо первой лампы ставят вторую и, перемещая фотоэлемент, добиваются прежнего значения тока в гальванометре. 156 Измерив в обоих случаях демонстрационным метром расстояния от фотоэлемента до источников, определяют отношение сил света сравниваемых ламп. Это отношение остается приблизительно таким же, как в опыте с демонстрационным фотометром, и весьма близким к отношению мощностей, обозначенных на лампах. Учащимся сообщают, что метод объективной фотометрии оказывается более точным, чем субъективный (с использованием фотометра), поэтому он получил широкое распространение. В качестве датчика света обычно применяется селеновый фотоэлемент, так как его спектральная чувствительность близка к спектральной чувствительности нашего глаза. Если гальванометр предварительно проградуировать в единицах освещенности, то получится измерительный прибор – Рис. 7.5 люкс-метр (рис. 7.5). 157 XIX. ИЗЛУЧЕНИЕ И СПЕКТРЫ. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Для выполнения работы студенты должны знать: виды излучений; тепловые излучения и люминесценцию; спектры излучения и испускания; линейчатый, полосатый и сплошной спектры; электролюминесценцию; фотолюминесценцию: флюоресценцию и фосфоресценцию; инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую части спектра; поляризацию света. Опыт 1. Люминесценция газов, жидкостей и твердых тел Оборудование: 1) высоковольтный преобразователь «Разряд-1», 2) генератор «Спектр», 3) наборы по флюоресценции и фосфоресценции, 4) набор спектральных трубок, 5) призма прямого зрения, 6) светофильтры, 7) экран. Электролюминесценцию газов демонстрируют с помощью газонаполненных спектральных трубок, устанавливаемых в специальный высоковольтный преобразователь «Разряд-1». Поднося неоновую лампу или газоразрядную трубку низкого давления к кондукторам высоковольтного преобразователя «Разряд-1», демонстрируют свечение газа в колбе лампы под влиянием сильного электрического поля. (Питание высоковольтных преобразователей «Разряд-1» и генератор «Спектр» производится от регулируемого стабилизированного источника питания ИЭПП-2.) Явление люминесценции применяется в люминесцентных лампах для освещения. Они имеют более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с лампами накаливания и дают возможность получения видимого света нужного спектрального состава подбором смеси порошка – люминофора, наносимого на внутреннюю поверхность стеклянного баллона лампы, но имеют довольно Рис. 1 сложную схему включения (рис. 1). Включают люминесцентную лампу и наблюдают ее зажигание и свечение. Для сравнения также можно включить одновременно обычную осветительную лампу накаливания приблизительно той же мощности. 158 Электролюминесценцию твердых тел можно продемонстрировать с помощью светодиода на колодке, подключая его в прямом направлении к регулируемому источнику тока через реостат сопротивлением 3–5 кОм и установив напряжение 4–12 В. Фотолюминесценцию жидкостей демонстрируют, внося наборы флюоресцирующих жидкостей в световой поток от ультрафиолетового излучателя или, в крайнем случае, от проекционного аппарата или обычной лампы накаливания. Люминесценция наблюдается сбоку на темном фоне. Фотолюминесценция твердых тел демонстрируется также внесением в поток света от ультрафиолетового излучателя люминесцирующего экрана, экрана для обнаружения рентгеновского излучения и набора трех фосфоресцирующих экранов. Послесвечение при люминесценции имеет разную длительность для различных веществ. Люминесценция газов, жидкостей и многих твердых тел, исчезающая практически мгновенно, называется флюоресценцией. Длительное послесвечение, наблюдающееся, как правило, только у твердых тел, называется фосфоресценцией. Такое послесвечение может продолжаться минуты, часы и даже сутки. Опыт 2. Наблюдение сплошного спектра Оборудование: 1) проекционный аппарат ФОС-115, 2) призма дисперсионная «Флинт», 3) призма прямого зрения, 4) экран. Используя проекционный аппарат ФОС-115 (рис. 2.1) на пути светового пучка, исходящего из конденсора, устанавливают раздвижную щель (шириной 1,5–2 мм) там, где она полностью освещена. Перемещая объектив, получают на экране, установленном в положении 1, резкое, равномерно освещенное изобраРис. 2.1 жение щели (рис. 2.2). После этого в пучок выходящего из объектива света ставят треугольную призму «Флинт» так, чтобы ее преломляющее ребро было параллельно щели, а экран перемещают Рис. 2.2 в положение 2 и наблюа – осветитель (ФОС-115), б – конденсор, дают на нем сплошной в – щель, г – объектив, д – призма «Флинт» или спектр. призма прямого зрения, е – экран № 1, ж – экран № 2 159 Примечание. Чтобы показать зависимость длины спектра от рода вещества призмы, на призму «Флинт» устанавливают призму «Крон» такого же размера так, чтобы их треугольные грани совпадали. На экране будут наблюдаться сразу два спектра. Сплошной спектр получается значительно ярче и отчетливее, если воспользоваться призмой прямого зрения, установив экран в положение 1. Опыт 3. Сложение спектральных цветов Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) призма дисперсионная «Флинт» или призма прямого зрения, 3) прибор для сложения цветов, 4) экран. Получив, как в предыдущем опыте, сплошной спектр, помещают прибор для сложения цветов спектра (рис. 3.1) на пути лучей, прошедших призму, на таком расстоянии от нее, чтобы весь спектр (от красных до фиолетовых лучей) попадал на зеркало прибора. Экран перемещают в новое положение (рис. 3.2) и, осторожно поворачивая за головки зеркала прибора, собирают все отраженные лучи в одну узкую полоску. При этом наблюдается белый цвет. Можно также показать образование дополнительных цветов, повернув немного одно из зеркал, например, образующее зеленую полоску. Остается яркая красная полоса, состоящая из света всех остальных цветов. Рис. 3.1 Рис. 3.2 а – осветитель (ФОС-115), б – конденсор, в – щель, г – объектив, д – призма «Флинт» или призма прямого зрения, е – прибор для сложения цветов, ж – экран 160 Накладывая на экране по две-три цветные полоски, можно демонстрировать смешение нескольких цветов, например, из красного и желтого цветов получится оранжевый. Примечание. Прибор для сложения цветов спектра состоит из десяти узких плоских зеркальных пластин, расположенных вплотную друг к другу и способных поворачиваться вокруг вертикальной оси на любой угол. В нижней части прибора имеется небольшой белый экран, который позволяет следить за размещением спектра на зеркалах. Прибор для сложения цветов спектра устанавливают на таком расстоянии от призмы, чтобы весь спектр попадал на зеркала прибора. Вследствие отражения от зеркал на экране наблюдают отдельные цветные полосы. Не меняя положения установки, поворачивают зеркала так, чтобы все цветные пучки собрались в одну узкую полоску. На экране наблюдают белую полосу, полученную в результате сложения цветов спектра. Можно с помощью данного прибора продемонстрировать образование пар дополнительных цветов. Основные цвета – синий, зеленый и красный, а дополнительные – это те, которые оказываются задержанными при разложении белого света. Например, желтый цвет – это сложный цвет, состоящий из красного и зеленого (рис. 3.3). При прохождении света был задержан синий – он и будет дополнительным для желтого цвета. Аналогично получают голубой (смесь зеленого и синеРис. 3.3 го), пурпурный (смесь синего и красного). Опыт 4. Обнаружение инфракрасного излучения в спектре Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) призма прямого зрения, 3) фотоэлемент кремниевый, 4) гальванометр демонстрационный от амперметра, 5) усилитель постоянного тока, 6) источник питания. Получают на экране сплошной спектр, как в предыдущем опыте, располагая экран так, чтобы за красным краем спектра оставалось свободное место. Перед экраном помещают кремниевый фотоэлемент, соединенный с гальванометром от амперметра, и, наблюдая за стрелкой гальванометра, медленно перемещают фотоэлемент от фиолетового края до красного и дальше. Гальванометр при этом регистрирует ток и при положении фотоприемника дальше красного края спектра, т.е. в его инфракрасной области. 161 Опыт 5. Выделение и поглощение красных лучей фильтрами Оборудование: 1) проекционный аппарат, 2) призма прямого зрения, 3) фотоэлемент кремниевый, 4) гальванометр демонстрационный от амперметра, 5) светофильтры, 6) экран. Оставляют фотоэлемент в инфракрасной области спектра (см. предыдущий опыт), вводят в ход светового пучка прозрачное для видимых лучей стекло и наблюдают резкое уменьшение фототока, что говорит о поглощении инфракрасного излучения. Затем заменяют прозрачное стекло черным (фильтр, пропускающий инфракрасные лучи) или темно-красным, обнаруживают полное или почти полное исчезновение изображения видимой части спектра, но фототок почти не уменьшается. Следовательно, инфракрасный фильтр позволяет выделить инфракрасное излучение из сплошного спектра. Вынув из конденсора проекционного аппарата одну линзу, получают параллельный пучок белого света, затем вплотную к тубусу конденсора устанавливают инфракрасный фильтр и с помощью фотоэлемента и гальванометра обнаруживают инфракрасный световой поток. Примечание. Ввиду малой чувствительности фотоэлемента его подключают к усилителю постоянного тока (УПТ), выход которого присоединяют к гальванометру; питание усилителя производится от регулируемого стабилизированного источника питания ИЭПП-2 напряжением приблизительно 4 В. Опыт 6. Поляризация света Оборудование: проекционный аппарат ФОС-115, 2) набор по поляризации. Поляризацию света с помощью поляроидов демонстрируют на установке (рис. 7.1), состоящей из осветителя с лампой накаливания, перед конденсором которого необходимо во избежание перегрева поляроидов установить теплофильтр. В сходящийся световой пучок ставят один поляроид, а за ним объектив, с помощью которого на экране получают Рис. 7.1 изображение освещенной части поляроида (рис. 7.2.). Поворачивая поляроид, убеждаются, что яркость изображения не изменяется. 162 Затем за первым поляроидом ставят второй и с помощью объектива получают его резкое изображение (если это не получается, надо один из поляроидов повернуть на 90°). Медленно поворачивая второй поляроид вокруг оптической оси светового пучка, наблюРис. 7.2 дают изменение яркости а – осветитель (ФОС-115), б – конденсор, в – теплофильтр, г – поляроид или черное зер- изображения от некоторого максимального покало, д – поляроид, е – объектив, ж – экран чти до нуля. Из этого следует вывод о поперечности световых волн. Примечание. Первый поляроид служит поляризатором, второй – анализатором. Поменяв поляроиды, повторяют опыт. Убеждаются, что каждый из них может быть как поляризатором, так и анализатором. Примечание. Поляризованный свет можно использовать для исследования деформаций. Установку предыдущего опыта дополняют винтовыми прессами с моделью рельса из органического стекла, который устанавливают между поляроидами. Получают изображение рельса на экране при нескрещенных поляроидах. Затем поляроиды скрещивают, изображение темнеет почти до исчезновения. Медленно вращая винт пресса, сжимают рельс. На экране появляется красочная картинка распределения напряжений в модели. Постепенно ослабляя винт, наблюдают исчезновение изображение на экране. Примечание. Очень яркий опыт можно продемонстрировать, поместив между скрещенными поляроидами вместо модели рельса сильно смятый кусок целлофановой (не полиэтиленовой!) пленки, например от коробки конфет. Поляризация света при отражении Установку собирают по рисунку 7.2. Здесь поляризатором служит черное зеркало, а анализатором – поляроид. Зеркало устанавливают приблизительно под углом 60° к оптической оси конденсора и при помощи объектива (без поляроида) получают на экране изображение диафрагмы в идее светлого круглого пятна. Установив поляроид, медленно поворачивают и наблюдают постепенное затемнение и просветление пятна. 163 Опыт повторяют при различных углах падения света на черное зеркало и убеждаются, что степень поляризации света зависит от угла падения и максимальна при угле падения, близком к 60°. Свет, падающий на стеклянную пластинку под углом полной поляризации (57°), отражается от ее поверхности, частично преломляется и проходит сквозь пластинку. Оба световых потока оказываются поляризованными, но степень поляризации при преломлении невелика и трудно обнаружима. Ее можно значительно увеличить, пропустив свет через несколько сложенных вместе пластин. Такой способ поляризации света можно продемонстрировать на установке, собранной по схеме рисунка 7.3. Рис. 7.3 а – осветитель (ФОС-115), б – конденсор, в – диафрагма, г – стопка стекол, д – объектив, е – поляроид, ж – экран Отверстие диафрагмы подбирают так, чтобы через стопку стекол проходил максимум света. Без поляроида проецируют на экран с помощью объектива изображение диафрагмы. Устанавливают поляроид и, медленно вращая его, наблюдают затемнение и просветление изображения. Следовательно, стопка стеклянных пластинок является поляризатором света. Естественно, она может служить и анализатором, если поменять ее местами с поляроидом. Следует обратить внимание, что стопка собрана в оправе так, чтобы отражающая поверхность пластинок была наклонена к главной оптической оси конденсора под углом 33°, когда оправа расположена перпендикулярно к ней. В этом случае согласно закону Брюстера (n = tgβ) угол преломления в стекле с показателем преломления n = 1,5 будет равен 54°31', т.е. это будет угол максимальной поляризации. 164 XX. ЗАКОНЫ ФОТОЭФФЕКТА Для допуска к работе необходимо знать: сущность явления фотоэффекта; внутренний и внешний фотоэффект; законы фотоэффекта; понятие фотона; связь энергии и импульса фотона с его частотой; уравнение Эйнштейна для максимальной энергии фотоэлектронов; понятие «красной» границы фотоэффекта; понятие работы выхода электрона; устройство вакуумного фотоэлемента. Опыт 1. Наблюдение внешнего фотоэффекта Оборудование: 1) осветитель ультрафиолетовый «Фотон» с держателем, 2) электрометр, 3) секундомер, 4) пластины цинковая и медная, 5) палочки из стекла и эбонита, 6) мех, 7) штатив универсальный с держателем. Осветитель ультрафиолетовый (УФ) закрепляют с помощью основания в держателе штатива. На расстоянии сорока сантиметров от осветителя располагают электрометр. На стержень электрометра устанавливают зачищенную цинковую пластину и сообщают ей при помощи эбонитовой палочки отрицательный заряд. Демонстрируют в течении 1–2 минут отсутствие саморазряда пластинки. Затем включают ультрафиолетовый излучатель, направленный на пластину, и засекают по секундомеру время полного разряда пластинки. Сообщают цинковой пластинке положительный заряд при помощи стеклянной палочки. Включают УФ осветитель. Фиксируют время разряда пластинки. В последнем случае время разряда значительно больше, хотя и конечное. Объясняют причину и различие в скорости разряда пластинки для первого и второго случая. Повторяют опыт с отрицательно заряженной пластинкой, закрыв осветитель стеклом. Фиксируют отсутствие разряда пластины. Поясняют результат опыта. Повторяют перечисленные опыты с медной пластинкой. Сопоставляют времена разрядки медной и цинковой пластин в аналогичных опытах. Результат объясняют. 165 Опыт 2. Зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе его освещенности и длины волны света Оборудование: 1) вакуумный фотоэлемент в корпусе, 2) осветитель ФОС-115, 3) гальванометр от амперметра с усилителем, 4) источник питания ВУП-2, 5) стабилизированный источник питания ИЭПП-2 или НУ 1803D, 6) набор светофильтров, 7) набор соединительных проводов, 8) регулятор напряжения школьный, 9) вольтметр на 150 В. Закрепите фотоэлемент в рейтере и разместите его на оптической скамье осветителя. Соберите электрическую цепь в соответствии с рисунком 2. Рис. 2 Установите на выходе «0–12 В» источника ИЭПП-2 напряжение 4 В. Снимите с осветителя конденсорную линзу и подключите его к сети через регулятор напряжения, установив напряжение на его выходе, равное 130 В. Включите осветитель и блок питания ВУП-2. Изменяя напряжение на выходе источника ВУП-2 от 0 до 150 вольт, проследите изменение фототока через фотоэлемент. Объясните наблюдаемый результат. Установите напряжение питания фотоэлемента, равное 100 В. Перемещая фотоэлемент по скамье осветителя, пронаблюдайте за изменением фототока. Снимите напряжение с источника ВУП-2. Установите конденсор на осветитель и добейтесь, перемещая фотоэлемент, максимума фототока. Закрывая окно фотоэлемента по очереди прозрачным, голубым, желтым и красным светофильтрами, зафиксируйте изменения фототока. Объясните зависимость фототока от длины волны излучения. 166 XXI. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА Для допуска к работе необходимо знать: опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц; природу α-, β- , γ- излучения; назначение и принцип действия спинтарископа; назначение и принцип действия камеры Вильсона; назначение и принцип действия счетчика Гейгера; назначение и принцип действия радиометра; назначение и принцип действия пузырьковой камеры; отличия и преимущества различных приборов, регистрирующих элементарные частицы. Опыт 1. Модель опыта Резерфорда Оборудование: 1) преобразователь высоковольтный «Разряд-1», 2) выпрямитель ВС-24, 3) бюретка с краном, 4) шар полый от электрометра, 5) штатив изолирующий, 6) провода соединительные, 7) экран демонстрационный. Соберите демонстрационную установку в соответствии с рисунком 1. Питание высоковольтного преобразователя осуществляется от выпрямителя ВС-24. Налейте в бюретку, укрепленную на штативе, подкрашенную воду. Опустите в бюретку проводник, соединенный с выводом «+25 кВ» высоковольтного преобразователя. На расстоянии 5 см от нижнего конца бюретки и на 2 см в сторону от оси бюретки укрепите на изолирующей подставке Рис. 1 полый шар от электрометра. Шар соедините с выводом «+25 кВ» высоковольтного преобразователя. За установкой установите белый экран. Отрегулируйте кран бюретки так, чтобы вода вытекала мелкими каплями. Включите питание высоковольтного преобразователя. Продемонстрируйте искривление траектории капель. Повторите опыт для разных расстояний между осью бюретки и центром шара. Проведите аналогии наблюдаемых явлений с опытом Резерфорда. 167 Опыт 2. Наблюдение треков в камере Вильсона Оборудование: 1) камера Вильсона с соединительной трубкой и резиновой грушей, 2) спирт, 3) мех, 4) кодоскоп или проекционный аппарат ФОС-115. Перед проведением опыта снимите резиновую грушу и наберите в нее 2–3 капли спирта, после чего вновь присоедините грушу (рис. 2.1). Установите камеру Вильсона на кодоскоп (проекционный аппарат ФОС-115) и добейтесь резкого изображения на экране (рис. 2.2). Для введения паров спирта в камеру несколько раз сожмите и отпустите грушу. Натрите поверхность стекла камеры мехом. Для чего это делается? Для наблюдения треков -частиц медленно сожмите грушу, а затем резко ее отпустите. Поясните причину появления треков частиц. Рис. 2.1 Рис. 2.2 Опыт 3. Действие индикатора ионизирующих частиц Оборудование: 1) счетчик Гейгера, 2) усилитель УНЧ-5 с динамическим громкоговорителем, 3) источник питания ВУП-2м, 4) спинтарископ, 5) провода соединительные. Рис. 3.1 168 Счетчик Гейгера, собранный на демонстрационной панели, представлен на рисунке 3.1. Соедините его с соблюдением полярности с источником ВУП-2м (используется левая пара клемм на панели счетчика). Выход счетчика (правая пара клемм) соедините с входом усилителя низкой частоты (УНЧ) с динамическим громкоговорителем (рис. 3.2). Включите питание усилителя и счетчика. микрофон Рис. 3.2 Рис. 3.3 Поднесите к счетчику радиоактивный элемент (спинтарископ) (рис. 3.3) и зафиксируйте щелчки, которые издает динамический громкоговоритель. Внесите между спинтарископом и счетчиком Гейгера свинцовую пластину. Обратите внимание, что количество щелчков уменьшилось. Примечание. Познакомьтесь с устройством и принципом действия счетчика Гейгера и спинтарископа. Опыт 4. Принцип действия радиометра Оборудование: 1) индикатор ионизирующих частиц (счетчик Гейгера) на демонстрационной панели, 2) источник питания ВУП-2м, 3) усилитель УНЧ-5, 4) диод полупроводниковый на подставке, 5) батарея конденсаторов (58 мкФ), 6) гальванометр демонстрационный от амперметра, 7) реостат на 5 кОм, 8) провода соединительные. Соберите цепь в соответствии с рисунком 4. Включите питание счетчика. Проследите за показаниями гальванометра от амперметра. 169 Рис. 4 В качестве индикатора ионизирующих частиц в этом опыте используется гальванометр с интегрирующей RC-цепочкой. При появлении импульса на входе усилителя конденсатор С через диод Д быстро заряжается от выхода усилителя. Разрядка конденсатора осуществляется через большое суммарное сопротивление гальванометра и дополнительного сопротивления R. Следующий импульс подзаряжает конденсатор, который еще не успел значительно разрядиться. В результате напряжение на накопительной емкости С возрастает и увеличиваются показания измерительного прибора. Примечание. По результатам показаний прибора можно судить об общем числе ионизирующих частиц, зарегистрированных за определенный промежуток времени, т.е. – о дозе облучения. 170 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Преподавание физики невозможно себе представить без физического эксперимента. Без хорошо поставленных демонстрационных опытов, фронтальных и лабораторных работ невозможно обеспечить понимание и усвоение учебного материала по физике, приобретение жизненно значимых умений и навыков. Представленные в данном учебно-методическом пособии демонстрационные опыты выступают не только инструментом исследования окружающей природы, но и убеждают школьников в материальности мира, в его познаваемости. В процессе восприятия и осмысливания демонстрационных опытов школьники учатся наблюдать за физическими явлениями, отрабатывать результаты измерений, использовать различные физические приборы и т.д. Велика роль демонстрационных опытов при закреплении учебного материала. Повторно проводимые опыты позволяют учащимся ярче воспроизвести в памяти ранее изученный материал, глубже вникнуть в сущность физических явлений и закономерностей, подметить ранее ускользнувшие от внимания черты и свойства изучаемых объектов. Применение физического эксперимента в обучении физике позволяет заинтересовать школьников, активизировать их мышление, способствует формированию более глубоких и прочных знаний по предмету, развивает умение самостоятельно делать выводы на основе анализа опыта, развивает у них наблюдательность, образное мышление, умение делать обобщение на основе наблюдений. 171 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Перышкин, А.В. Физика. 7 класс [Текст] : учеб. для общеобразоват. учреждений. – 2-е изд., стер. – М. : Дрофа, 2013. – 221 с. 2. Перышкин, А.В. Физика. 8 класс [Текст] : учеб. – 2-е изд., стер. – М. : Дрофа, 2014. – 237 с. 3. Перышкин, А.В. Физика. 9 класс [Текст] : учеб. / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 2-е изд., стер. – М. : Дрофа, 2014. – 319 с. 4. Мякишев, Г.Я. Физика. 10 класс: базовый уровень [Текст] : учеб. для общеобразоват. орг. / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский ; под ред. Н.А. Парфентьевой. – М. : Просвещение, 2014. – 416 с. 5. Мякишев, Г.Я. Физика. 11 класс: базовый уровень [Текст] : учеб. для общеобразоват. орг. / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин ; под ред. Н.А. Парфентьевой. – М. : Просвещение, 2014. – 432 с. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Анциферов, Л.И. Практикум по методике и технике школьного физического эксперимента [Текст] : учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по физ.-мат. специальностям / Л.И. Анциферов, И.М. Пищиков. – М. : Просвещение, 1984. 2. Демонстрационные опыты по физике в 6–7 классах средней школы [Текст] / под ред. А.А. Покровского. − М.: Просвещение, 1970. 3. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы [Текст] / под ред. А.А. Покровского. − М. : Просвещение, 1971. – Т. 1. 4. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы [Текст] / под ред. А.А. Покровского. − М. : Просвещение, 1972. – Т. 2. 5. Лабораторный практикум по теории и методике обучения физике в школе [Текст] : учеб. пособие для студентов пед. учеб. заведений / С.Е. Каменецкий, С.В. Степанов, Е.Б. Петрова [и др.] ; под ред. С.Е. Каменецкого, С.В. Степанова. – М. : Академия, 2002. 6. Методические рекомендации к демонстрационным опытам по физике: дидактический материал [Текст] / сост. А.В. Ельцов, С.Г. Моисеев, Д.А. Морозов, М.Е. Ларина, В.А. Степанов, Н.Б. Федорова. – Рязань, 2003. – 171 с. 173 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение .................................................................................................... 3 I. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ......................................................... 5 Опыт 1. Расширение твердых тел при нагревании .................................... 5 Опыт 2. Механическая модель броуновского движения .......................... 6 Опыт 3. Сцепление свинцовых цилиндров ................................................. 6 Опыт 4. Диффузия газов через пористую перегородку ........................... 7 Опыт 5. Прилипание стеклянной пластинки к воде .................................. 8 Опыт 6. Изучение свойств поверхности жидкости с помощью мыльных пленок ......................................................................... 9 Опыт 7. Капиллярные явления .................................................................... 10 Опыт 8. Модель давления газов .................................................................. 10 Опыт 9. Раздувание воздушного шара под колоколом воздушного насоса......................................................................................... 11 Опыт 10. Модель опыта Штерна................................................................. 11 Опыт 11. Обнаружение поверхностного натяжения воды при помощи ареометра ................................................................................. 12 Опыт 12. Изменение поверхностного натяжения воды .......................... 13 Опыт 13. Диффузия в жидкостях ................................................................ 13 II. ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ ............................................................. 15 Опыт 1. Относительность покоя и движения............................................ 15 Опыт 2. Сложение перемещений, направленных по одной прямой ............................................................................................ 16 Опыт 3. Сложение перемещений, направленных под углом друг к другу ................................................................................. 16 Опыт 4. Относительность траектории........................................................ 17 Опыт 5. Падение тел в воздухе и разреженном пространстве ............... 17 Опыт 6. Измерение угловой скорости........................................................ 18 Опыт 7. Движение тела, брошенного горизонтально .............................. 19 Опыт 8. Движение тела, брошенного под углом к горизонту ................ 21 III. ОСНОВЫ ДИНАМИКИ ................................................................. 24 Опыт 1. Явление инерции ............................................................................ 24 Опыт 2. Инертность тела .............................................................................. 24 Опыт 3. Сравнение масс двух тел по их взаимодействию...................... 25 Опыт 4. Трение покоя и скольжения .......................................................... 26 Опыт 5. Движение под действием силы упругости ................................. 26 Опыт 6. Третий закон динамики ................................................................. 27 Опыт 7. Невесомость при падении тела .................................................... 27 Опыт 8. Возникновение центростремительной силы .............................. 28 Опыт 9. Модель центрифуги ....................................................................... 29 Опыт 10. Движение по окружности (центробежная дорога)................. 29 174 IV. ОСНОВЫ СТАТИКИ ..................................................................... 31 Опыт 1. Устройство и действие динамометров ....................................... 31 Опыт 2. Сложение сил, действующих по одной прямой и направленных в одну сторону ................................................................. 32 Опыт 3. Сложение сил, действующих вдоль одной прямой и направленных в разные стороны............................................................. 33 Опыт 4. Перенос точки приложения силы вдоль линии действия .............................................................................................. 33 Опыт 5. Правило параллелограмма............................................................ 34 Опыт 6. Равновесие тел под действием силы тяжести ........................... 34 Опыт 7. Равновесие тел, имеющих площадь опоры................................ 35 Опыт 8. Сложение сил, действующих под углом друг к другу ............. 35 Опыт 9. Виды упругих деформаций .......................................................... 36 Опыт 10. Демонстрация поперечного сжатия .......................................... 36 Опыт 11. Различные положения равновесия шара ................................. 36 V. ДАВЛЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ ........... 37 Опыт 1. Давление твердого тела на опору ................................................ 37 Опыт 2. Передача давления жидкостями .................................................. 38 Опыт 3. Устройство и принцип действия уровня .................................... 38 Опыт 4. Устройство и действие гидравлического пресса ...................... 39 Опыт 5. Сила давления жидкости на дно сосуда ..................................... 40 Опыт 6. Сила давления жидкости на дно сосуда не зависит от формы сосуда ........................................................................ 40 Опыт 7. Давление жидкости на стенки сосуда......................................... 41 Опыт 8. Равновесие жидкости в сообщающихся сосудах ...................... 42 Опыт 9. Устройство и действие фонтана .................................................. 42 Опыт 10. Подъем воды в трубке за поршнем ........................................... 43 Опыт 11. Фонтан в разреженном пространстве ....................................... 43 Опыт 12. Действия ливера и пипетки ........................................................ 44 Опыт 13. Сила атмосферного давления..................................................... 44 Опыт 14. Устройство и действие ручного воздушного насоса ............. 45 Опыт 15. Действие жидкости на погруженное в нее тело...................... 46 Опыт 16. Демонстрация действия архимедовой силы ............................ 46 Опыт 17. Выяснение условий плавания тел ............................................. 48 Опыт 18. Измерение давления внутри жидкости манометром ............. 48 VI. МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА И ЭНЕРГИЯ ................................ 50 Опыт 1. Определение работы при подъеме груза и перемещении его по горизонтальной плоскости .................................. 50 Опыт 2. Равенство работ на рычаге ........................................................... 51 Опыт 3. Равенство работ на подвижном блоке ........................................ 52 Опыт 4. Работа сил на наклонной плоскости ........................................... 53 Опыт 5. Кинетическая энергия скатывающегося шара .......................... 54 175 Опыт 6. Переход кинетической энергии в потенциальную и обратно ......................................................................... 55 Опыт 7. Потенциальная энергия поднятого тела ..................................... 55 Опыт 8. Потенциальная энергия сжатой пружины .................................. 56 Опыт 9. Реактивное движение ..................................................................... 56 Опыт 10. Устройство и действие водоструйного насоса ........................ 57 Опыт 11. Устройство и действие пульверизатора.................................... 58 Опыт 12. Парение шарика в воздушной струе.......................................... 58 VII. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ............................................................... 60 Опыт 1. Неодинаковое расширение различных металлов ...................... 60 Опыт 2. Расширение жидкостей при нагревании ..................................... 61 Опыт 3. Расширение воздуха при нагревании .......................................... 61 Опыт 4. Различная удельная теплоемкость металлов ............................. 62 Опыт 5. Нагревание металлической трубки трением .............................. 63 Опыт 6. Воздушное огниво .......................................................................... 63 Опыт 7. Теплопроводность различных тел ............................................... 64 Опыт 8. Нагревание путем радиации ......................................................... 64 Опыт 9. Изменение температуры воздуха при его расширении ............ 65 Опыт 10. Конвекция в жидкостях и газах ................................................. 66 VIII. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ................................................................... 67 Опыт 1. Опыт Эрстеда .................................................................................. 67 Опыт 2. Магнитные спектры прямого и кругового токов ...................... 68 Опыт 3. Определение полюсов соленоида магнитной стрелкой и по направлению тока ................................................................................. 69 Опыт 4. Усиление магнитного поля соленоида железным сердечником ................................................................................ 70 Опыт 5. Устройство и принцип действия телеграфа ............................... 70 Опыт 6. Устройство и принцип действия электрического звонка............................................................................................................... 71 Опыт 7. Магниты постоянные ..................................................................... 71 Опыт 8. Движение прямого проводника с током в магнитном поле ........................................................................................... 72 Опыт 9. Демонстрация магнитных свойств вещества ............................. 73 Опыт 10. Магнитная защита ........................................................................ 74 IX. ЭЛЕКТРОСТАТИКА ...................................................................... 75 Опыт 1. Электризация диэлектриков и проводников .............................. 75 Опыт 2. Преобразователь высоковольтный «Разряд-1»......................... 76 Опыт 3. Устройство и действие электрометра ......................................... 77 Опыт 4. Два рода зарядов и их взаимодействие ....................................... 78 Опыт 5. Делимость электрического заряда ............................................... 79 Опыт 6. Распределение зарядов по поверхности проводника. Электрический ветер ..................................................................................... 80 176 Опыт 7. Электростатическая индукция ..................................................... 81 Опыт 8. Электроемкость плоского конденсатора .................................... 83 Опыт 9. Энергия заряженного конденсатора ........................................... 84 X. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ И ЭЛЕКТРОЛИТАХ ............................................................................. 85 Опыт 1. Условия существования электрического тока в проводнике .................................................................................................. 85 Опыт 2. Закон Ома для участка цепи ......................................................... 86 Опыт 3. Использование реостата в качестве потенциометра ................ 87 Опыт 4. Зависимость сопротивления проводников от температуры .............................................................................................. 88 Опыт 5. Зависимость сопротивления проводника от материала, его длины и поперечного сечения..................................... 88 Опыт 6. Электропроводность воды и ее растворов ................................. 89 Опыт 7. Электролиз раствора медного купороса..................................... 90 Опыт 8. Принцип действия аккумулятора ................................................ 91 XI. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ ............................................. 92 Опыт 1. Ионизация газов ............................................................................. 92 Опыт 2. Несамостоятельный разряд .......................................................... 92 Опыт 3. Коронный разряд............................................................................ 93 Опыт 4. Принцип действия электрофильтра ............................................ 94 Опыт 5. Самостоятельный разряд в газах при пониженном давлении .......................................................................... 95 Опыт 6. Свечение разреженных газов ....................................................... 95 Опыт 7. Измерение порога зажигания и гашения неоновой лампы............................................................................................. 96 Опыт 8. Устройство и принцип включения люминесцентной лампы............................................................................... 97 XII. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ............. 98 Опыт 1. Комплект полупроводниковых приборов .................................. 98 Опыт 2. Электронная и дырочная проводимость полупроводников .......................................................................................... 99 Опыт 3. Действие полупроводникового термоэлемента ..................... 100 Опыт 4. Односторонняя проводимость полупроводникового диода.............................................................................................................. 100 Опыт 5. Действие полупроводникового фотоэлемента ....................... 102 Опыт 6. Зависимость электропроводности полупроводника от температуры ............................................................................................ 102 Опыт 7. Зависимость электропроводности полупроводника от освещенности .......................................................................................... 103 Опыт 8. Усиление постоянного тока транзистором .............................. 103 Опыт 9. Действие простейшего фотореле............................................... 104 177 XIII. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ .................................. 105 Опыт 1. Электромагнитная индукция ...................................................... 105 Опыт 2. Модель униполярного генератора ............................................. 106 Опыт 3. Правило Ленца .............................................................................. 107 Опыт 4. Индукция в сплошных проводниках ......................................... 109 Опыт 5. Демонстрация воздушных вихревых токов ............................. 109 Опыт 6. Самоиндукция при замыкании цепи ......................................... 110 XIV. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ ...................... 112 Опыт 1. Свободные колебания под действием силы тяжести и силы упругости ......................................................................................... 112 Опыт 2. Период колебаний нитяного маятника ..................................... 114 Опыт 3. Период колебаний пружинного маятника ................................ 116 Опыт 4. Вынужденные колебания. Резонанс .......................................... 117 Опыт 5. Резонанс маятников...................................................................... 118 Опыт 6. Принцип действия резонансного тахометра ............................ 119 Опыт 7. Автоколебания .............................................................................. 120 Опыт 8. Образование и распространение поперечных и продольных волн ...................................................................................... 121 XV. ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ .................................................................. 125 Опыт 1. Источники и приемники звука ................................................... 125 Опыт 2. Осциллографирование звука ...................................................... 127 Опыт 3. Звукопроводность различных сред............................................ 129 Опыт 4. Зависимость высоты тона звука от частоты колебаний и скорости движения источника ............................................................... 130 Опыт 5. Сила и громкость звука ............................................................... 131 Опыт 6. Интерференция звуковых волн .................................................. 133 Опыт 7. Отражение звуковых волн........................................................... 134 Опыт 8. Звуковой резонанс ........................................................................ 135 XVI. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ЗАКРЫТОМ КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ ........................... 136 Опыт 1. Медленные затухающие колебания........................................... 136 Опыт 2. Затухающие электрические колебания ..................................... 137 Опыт 3. Медленные незатухающие электрические колебания........... 138 Опыт 4. Резонанс колебательных контуров ............................................ 139 XVII. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ И ДИФРАКЦИЯ................................... 140 Опыт 1. Волны на поверхности воды ....................................................... 140 Опыт 2. Интерференция волн .................................................................... 141 Опыт 3. Дифракция волн ............................................................................ 142 Опыт 4. Принцип Гюйгенса ....................................................................... 142 Опыт 5. Демонстрация полос интерференции от бипризмы Френеля ................................................................................. 143 178 Опыт 6. Демонстрация дифракции света на тонкой нити .................... 144 Опыт 7. Дифракция света от узкой щели ................................................ 145 Опыт 8. Демонстрация колец Ньютона ................................................... 145 Опыт 9. Демонстрация интерференции света в тонких пленках ........ 147 Опыт 10. Получение спектра с помощью дифракционной решетки............................................................................ 147 XVIII. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА. ПОНЯТИЕ О ФОТОМЕТРИИ ............................................................................... 149 Опыт 1. Источники света. Распространение света ................................ 149 Опыт 2. Демонстрация отражения и преломления света на границе раздела двух прозрачных сред.............................................. 150 Опыт 3. Зеркальное и диффузное отражение света. Законы зеркального отражения. Плоское зеркало................................. 151 Опыт 4. Законы преломления света ......................................................... 152 Опыт 5. Преломление света треугольной призмой ............................... 152 Опыт 6. Действие сферических линз ....................................................... 152 Опыт 7. Сравнение силы света двух источников .................................. 154 XIX. ИЗЛУЧЕНИЕ И СПЕКТРЫ. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА ...... 158 Опыт 1. Люминесценция газов, жидкостей и твердых тел .................. 158 Опыт 2. Наблюдение сплошного спектра ............................................... 159 Опыт 3. Сложение спектральных цветов ................................................ 160 Опыт 4. Обнаружение инфракрасного излучения в спектре ............... 161 Опыт 5. Выделение и поглощение красных лучей фильтрами ........... 162 Опыт 6. Поляризация света ....................................................................... 162 XX. ЗАКОНЫ ФОТОЭФФЕКТА ...................................................... 165 Опыт 1. Наблюдение внешнего фотоэффекта ........................................ 165 Опыт 2. Зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе его освещенности и длины волны света ................... 166 XXI. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА.................................................. 167 Опыт 1. Модель опыта Резерфорда.......................................................... 167 Опыт 2. Наблюдение треков в камере Вильсона ................................... 168 Опыт 3. Действие индикатора ионизирующих частиц ......................... 168 Опыт 4. Принцип действия радиометра .................................................. 169 Заключение ........................................................................................... 171 Список рекомендуемой литературы................................................. 172 Список использованной литературы ............................................... 173 179 Учебное издание ШКОЛЬНЫЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ОПЫТЫ Учебно-методическое пособие Составители: Федорова Наталья Борисовна Кузнецова Ольга Викторовна Ельцов Анатолий Викторович Редактор Н.В. Смурова Технический редактор Н.Н. Кулешова Подписано в печать 07.12.2017. Поз. № 038. Бумага офсетная. Формат 60х841/16. Гарнитура Times New Roman. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 10,4. Уч.-изд. л. 10,9. Тираж 100 экз. Заказ № 348. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина» 390000, г. Рязань, ул. Свободы, 46 Редакционно-издательский центр РГУ имени С.А. Есенина 390000, г. Рязань, ул. Ленина, 20а 180
