Установка. Два одинаковых стакана или кристаллизатора, диаметр которых 6–7 см. У одного стакана стенки тщательно промыты сначала теплой водой с мылом, а затем чистой водой. У другого стакана внутренние стенки покрыты тонким слоем парафина. Это можно осуществить, например, натирая их концом парафиновой свечи. (Не следует наносить толстый слой парафина. Лучше слегка натереть парафином горячие стенки стакана. Внутренние стенки стакана должны быть при этом совершенно сухими.) Бутылка с водой. Два одинаковых стальных пера (малого размера).
Условие задачи. Налейте в оба стакана столько воды из бутылки, чтобы она не доходила до края стакана приблизительно на 1 см.
Как с помощью двух перьев, которые лежат перед вами, можно доказать, что стенки одного стакана смачиваются, а другого не смачиваются водой?
Если решение этой задачи вас очень затруднит, то ее условие можно несколько упростить, указав вам на первый этап решения. Вам следует одно стальное перо положить на поверхность воды, налитой в один стакан, а второе – на поверхность воды, налитой в другой стакан. Осуществляется это просто. Положите сухое перо выпуклой его стороной на стол. Зажмите его среднюю часть между большим и указательным пальцем правой руки и приподымите перо над столом, держа пальцы вертикально. Перо при этом расположится в горизонтальной плоскости. Поднесите перо к поверхности воды в стакане, опуская его по вертикали. Выпустите перо из пальцев в тот момент, когда кончики пальцев почувствуют соприкосновение с водой. Следите, чтобы перо в ваших пальцах не отклонялось от горизонтальной плоскости, т. е. чтобы оно было все время расположено параллельно поверхности воды.
Вопрос задачи остается тот же самый: как с помощью двух перьев, плавающих на поверхности воды, налитой в два стакана, можно доказать, что стенки одного стакана смачиваются, а другого не смачиваются водой?
Дополнения. 1. О чем непосредственно можно судить по поведению перьев: о форме поверхности жидкости или о характере смачивания стенок стакана?
2. Какая связь между формой поверхности жидкости в сосуде и смачиванием жидкостью его стенок?
Какая причина заставляет одно перо упорно держаться около стенки стакана, а другое так же упорно – в средней части поверхности воды?
Решение и пояснения
12. (9-й кл.) В стакане, у которого стенки смачиваются водой, перо держится на середине поверхности воды, и его невозможно подвести к стенкам – оно, так сказать, скатывается на середину вследствие вогнутой формы мениска. В сосудах большого диаметра наблюдается только отплывание пера от стенок.
В стакане, у которого стенки не смачиваются, наблюдается обратное явление: перо держится около стенки, не может удержаться на середине поверхности жидкости вследствие выпуклой формы мениска. Диаметр сосуда и в этом случае играет существенную роль.
Дополнения (даются вместе с задачей). 1. О форме поверхности.
2. Вопрос из курса физики.
3. Ответ дан в решении задачи.
Можно использовать перья малого размера, применяемые для авторучек или для черчения. С пером любого размера получается одинаковый эффект с той, однако, разницей, что большое перо не может так близко подойти к стенке стакана, как маленькое, и район его возможных движений более ограничен.
Упругость газа.
Установка. Большая бутыль, в которую налита вода (объем воды примерно равен 1/5 объема бутыли). Горлышко бутыли закрыто пробкой, сквозь которую пропущена стеклянная трубочка. Нижний конец ее опущен в воду сантиметра на 3–4, а верхний согнут под прямым углом и на него надета короткая резиновая трубочка. Рядом с бутылью ставится стакан и кладется лист чистой бумаги.
Условие задачи. Как из выставленной бутылки налить воду в стакан, не вынимая из нее пробки?
Дополнения. 1. Когда больше выльется воды из бутылки: когда ее мало или много?
2. Одна бутылка высокая и узкая, другая – широкая и низкая. Объем их одинаковый. Количество налитой в них воды также одинаково. Из какой бутылки выльется больше воды, если пользоваться одной и той же трубкой?
Решение и пояснения
13. (6-й кл.) Маленьким листком бумаги следует обернуть кончик резиновой трубки. (Из гигиенических соображений.) Взяв его в рот, вдувают в бутыль воздух. Зажимают пальцами резиновую трубку и, вынув трубку изо рта, подставляют стакан. Разжав пальцы, наливают в стакан воду.
Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Когда мало воды.
2. Больше воды выльется из низкой бутылки, так как вода в ней должна подниматься по вертикальной части трубки на меньшую высоту. Имеется в виду, что давление воздуха в обеих бутылках одинаковое.
Давление газа.
Установка. См. описание установки в задаче 13. Кроме большой бутыли, ставится маленькая бутылочка (0,1 л), которая закрыта пробкой с трубочкой, так же как и большая бутыль. Количество воды в обеих бутылках одинаковое.
Условие задачи. Оберните чистой бумажкой кончик резиновой трубки и вдувайте ртом воздух в большую бутылку. Когда вы выпустите кончик трубки изо рта, вода из бутылки потечет в стакан. То же проделайте с маленькой бутылочкой.
Почему при этом количество воды, вытекающей из большой бутылки, значительно больше количества воды, вытекающей из маленькой?
Дополнения. 1. Почему легче вдувать воздух сжатыми щеками, чем раздутыми?
2. Почему при раздутых щеках вы испытываете болезненное ощущение в них?
Решение и пояснения
14. (6-й кл.) До вдувания объем воздуха в большой бутылке больше, чем объем воздуха в маленькой. Так как вдувать воздух в ту и в другую бутылку можно до тех пор, пока давление не достигнет приблизительно одного и того же (возможного для вас) значения, то, очевидно, избыток воздуха, по сравнению с его нормальным количеством, также будет больше в большой бутылке.
Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Вдувая воздух в бутылку при сжатых щеках, мы действуем, главным образом, полостью рта между губами и кончиком языка. Поверхность полости рта, подвергающаяся непосредственному давлению воздуха, находящегося в бутылке, значительно сокращается. Поэтому усилие мышц в щеках, направленное против силы давления воздуха на щеки, значительно уменьшается. (Закон Паскаля в газах.)
2. Ответ следует из первого пункта.
Атмосферное давление.
Установка. В штативе закреплен высокий большого диаметра перевернутый стеклянный цилиндр, который до трех четвертей наполнен водой. Открытый его конец закрыт куском бумаги (см. в решении).
Условие задачи. В цилиндре над поверхностью воды имеется воздух. Следовательно, вода должна испытывать одинаковое давление сверху вниз со стороны воздуха, находящегося в цилиндре, и снизу вверх, вследствие внешнего давления атмосферы.
Почему же при этих условиях вода не выливается из цилиндра?
Дополнения. 1. Снимите цилиндр, переверните его и уберите бумажку. Возьмите новый кусок бумаги, наложите на края цилиндра и переверните его, надавливая ладонью на бумажку. Если не с первого, то со второго, третьего раза вы добьетесь, что вода не будет выливаться из цилиндра, когда вы отнимете руку от бумажки. Почему бумажка при этом оказывается вдавленной внутрь цилиндра?
2. Почему этот опыт совершенно не удается, если вместо бумаги взять кусок толстого жесткого картона?
3. Почему опыт с куском картона прекрасно удается, если цилиндр до краев наполнен водой?
Решение и пояснения
15. (8, 6-й кл.) Воздух над цилиндром несколько разрежен. Давление его меньше атмосферного. Сумма его давления и давления столба воды на бумажку равна атмосферному.
Дополнения. 1. Перевернув цилиндр, вы надавливаете на бумажку ладонью. От этого бумажка несколько вдавится внутрь цилиндра и из него вытечет небольшое количество воды. Столб воды в цилиндре понизится, давление воздуха в цилиндре уменьшится. Этого достаточно для того, чтобы можно было осуществить рассмотренное явление.
2. Из предыдущего понятно, почему замена мягкой бумажки жестким картоном или жестью не может дать желаемого результата.
3. Вопрос из курса физики.
Дополнения даются в том случае, если задача решается в классе или в кружке.
Налаживание опыта и его объяснение требуют некоторых дополнительных пояснений. Опыт с таким же успехом удается, если вы и не прибегаете к особому приему надавливания на бумажку, о котором говорится в решении задачи (Дополнение 1). Если вы будете просто придерживать бумажку ладонью, то, перевернув цилиндр, увидите, что между краем цилиндра и бумажкой просачивается вода, а бумажка вдавливается внутрь цилиндра, принимая форму купола. Чем сильнее требуется разредить воздух в цилиндре для равновесия системы, тем больше вдавливается бумажка. Когда вода перестала вытекать из цилиндра, можно отнять руку.
Указанный в задаче стеклянный цилиндр не является обязательным для опыта. Если задача дается для домашнего решения, то в условии говорится, например, о стеклянной консервной банке (0,5 л). С такой банкой, конечно, труднее получить длительное равновесие системы, тем не менее, смоченная бумажка после частичного выливания воды принимает сильно вогнутую форму, при которой давление на бумажку сверху и снизу уравновешивается.
Строго говоря, в этих опытах следует учесть и силы сцепления жидкости. Если к краям перевернутой пустой банки приложить мокрую бумажку, она не отпадет. Однако легко показать, что удерживающие ее силы сцепления не имеют решающего значения. Если вместо бумажки взять кусок смоченной в воде папки (например, от коробки папиросных гильз), то она не удержится на краях банки, вследствие своего веса. Но если наполнить банку водой, закрыть ее тем же куском папки и перевернуть, придерживая папку ладонью, то она не отпадет от краев банки, после того как ладонь от нее отнимут. Если отлить половину воды из банки и снова проделать опыт, можно убедиться в том, что и на этот раз папка не отпадает. Проведя осторожно несколько раз пальцем по папке, обнаруживаем небольшую, но отчетливо заметную вогнутость. Вследствие того, что вогнутость папки очень небольшая, система находится на пределе устойчивости. Поэтому возможно, что опыт не удастся с первого раза.
Сифон.
Установка. Резиновая трубка, длиной приблизительно в 40 см, привязанная к железной проволоке (диаметр около 1 мм) и согнутая вместе с проволокой в виде сифона. Банка с водой и тазик.
Условие задачи. Перед вами резиновая трубка, привязанная к железной проволоке для того, чтобы ей можно было придавать различные изгибы, которые, благодаря проволоке, будут сохранять свою форму. Она согнута в виде сифона. Вам известно, что существенный недостаток такого сифона заключается в следующем: если сифон вынимается из жидкости, то жидкость выливается из него и в сифон каждый раз приходится втягивать жидкость перед употреблением.
Какую форму следует придать сифону, для того чтобы из него не вытекала вода, когда он вынимается из нее, при условии, что он будет висеть, а не лежать?
Дополнения. 1. Как, ничего не меняя в конструкции сифона, регулировать скорость вытекающей из него воды?
2. Будет ли вода держаться в сифоне, вынутом из жидкости, если одно его колено сделать короче другого? Имеется в виду, что вы придали сифону ту форму, которая требуется задачей.
Решение и пояснения
16. (6-й кл.) Оба конца сифона должны быть загнуты вверх. Достаточно загнуть 5–7 см от каждого конца трубки. (Сифон напоминает букву Л.)
Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Меняя погружение конца сифона в воду.
2. Нет.
МЕХАНИКА.
Сложение сил.
Установка. Резиновый тонкий шнур, длиной примерно в 30 см, имеющий на своих концах петельки, с помощью которых его можно надевать на гвозди (или винты), вбитые около конца какой-нибудь горизонтальной рейки или планки (рис. 6.) (Может быть использована так называемая рама по механике.) Оба конца шнура надеты на гвоздик. Второй гвоздик вбивается в планку на таком расстоянии от первого, которое равно длине резинового шнура. Небольшой грузик с крючком на верхнем конце и полоска миллиметровой бумаги или линейка с миллиметровыми делениями.
Условие задачи. Подвесьте на нижний конец двойного резинового шнура гирьку, зацепив ее концом за петлю, которую образует шнур. Измерьте, насколько от этого увеличится длина резинки.
Что нужно сделать для того, чтобы при том же грузике приращение длины шнура стало значительно больше?
Дополнения. 1. Приподнимите рукой грузик, подвешенный на резиновом шнуре, настолько, чтобы шнур не был растянут. Если выпустить его из руки, он падает, натягивая шнур. Почему при падении грузика шнур оказывается сильнее растянутым, чем в том случае, когда грузик просто висел на нем?
2. Как объяснить, что в результате опыта, описанного в первом вопросе, грузик некоторое время качается по вертикали?
Решение и пояснения
17. (6, 8-й кл.) Снять один конец резинового шнура с гвоздика и надеть его на второй гвоздик. (В этой задаче особенно существенно объяснение явления учащимися).
Дополнения. 1. Грузик, висящий на конце растянутого им шнура, произвел работу, затраченную на растяжение шнура А = Р l , где Р – вес грузика и l – приращение длины шнура. Падающий грузик приобретет кинетическую энергию k = 1/2 m v 2 , где т – масса грузика и v – его скорость в момент натягивания шнура. Кинетическая энергия расходуется на работу растяжения шнура А'. Следовательно, суммарная работа, затрачиваемая в этом последнем случае, равна А + А'.
2. Вопрос из курса физики.
Разложение сил.
Установка. Маленькие весы (аптекарские). Одна чашка весов перевернута выпуклой стороной вверх. Стеклянная трубочка с оттянутым кончиком. Она с помощью резиновой трубки соединена с резиновым баллоном от пульверизатора. Миллиграммовый разновес.
Условие задачи. Возьмите стеклянную трубочку в левую руку, а баллон от пульверизатора – в правую. Держите стеклянную трубочку вертикально над серединой перевернутой чашки весов, а правой рукой начните равномерно нажимать на резиновый баллон.
Под действием струи воздуха чашка весов опустится. Не переставая нажимать на баллон, отклоните трубочку от вертикали приблизительно на 45°, направляя по-прежнему ее кончик на середину чашки весов и не меняя его расстояния от чашки. Вы заметите, что чашка весов будет отклонена вниз меньше, чем в первый раз. Увеличьте угол между трубочкой и вертикалью почти до 90°, и в результате этого чашка весов почти совсем не отклонится вниз.
Объясните, почему отклонение чашки весов зависит от угла, под которым действует на нее та же самая струя воздуха? Поясните этот опыт с помощью графика сил.
Дополнение. Чем дальше от чашки весов держите вы кончик стеклянной трубочки, тем меньше отклоняется вниз чашка весов. Почему?
Решение и пояснения
18. (6-й кл.) Вопрос из курса физики. (Разложение силы на нормальную и тангенциальную составляющую.)
Дополнение (дается вместе с задачей). Чем дальше кончик трубки от чашки весов, тем большее количество воздуха, находящегося между трубкой и чашкой, приводится в движение. Значительная часть его минует чашку весов. (Более точного ответа, конечно, нельзя требовать от учащихся.)
Рычаг.
Установка. Деревянный рычаг, укрепленный на штативе (применяемом для демонстрации рычагов). Рычаг должен быть неравноплечим и уравновешен грузами возможно малого веса, для того чтобы излишек веса длинного плеча самого рычага существенно влиял бы на общую силу, приложенную к длинному плечу. Положим, что равновесие получено тогда, когда длинное плечо рычага в 4 раза длиннее короткого. Весы, с помощью которых можно измерить вес грузиков, подвешенных к рычагу, и разновес (рис. 7).
Условие задачи. По закону рычага вес грузика, подвешенного к короткому плечу рычага, должен быть в четыре раза больше веса грузика, подвешенного к его длинному плечу. Проверьте это, взвесив оба грузика на весах.
Почему вес большого грузика значительно больше четырехкратного веса маленького?
Дополнения. 1. Что является основной причиной, искажающей результат вычисления – вес рычага или удельный вес материала, из которого он сделан?
2. Ответив на первый вопрос, скажите, почему же в таком случае для демонстрации в классе предпочитают применять рычаги, сделанные из дерева, а не из железа? Ведь можно взять железный рычаг, вес которого был бы равен весу деревянного.
3. Почему отступления от закона рычага получаются тем меньше, чем меньше разница длины обоих плеч рычага?
4. В каком случае при любом весе рычага закон рычага будет точно выполняться?
Решение и пояснения
19. (6-й кл.) Ответ вытекает из описания экспериментальной установки задачи.
Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Вес рычага.
2. Вследствие малой жесткости железного рычага при его весе, равном деревянному.
3 и 4. Вопросы из курса физики.
Сложение движений.
Установка. Две прочно укрепленные вертикальные стойки или деревянная рамка. Между верхними концами стоек (рамки) натянута горизонтальная проволока. К правой стойке прикреплен маленький деревянный блок, который употребляется для демонстрации сложения сил. Второй такой же блок лежит около установки. Кроме того, даны: катушка швейных ниток, отрезок медной проволоки приблизительно в 5 см длиной и маленький рисунок самолета, прикрепленный к свинцовой пластинке или иному грузику.
Условие задачи. Для школьного спектакля необходимо было по ходу пьесы, чтобы небольшая модель самолета поднялась по диагонали из нижнего левого угла сцены к верхнему правому. Натянуть по диагонали проволоку было невозможно, так как она мешала действующим лицам пьесы. Тогда натянута была вверху не видная публике горизонтальная проволока через всю сцену и с правой стороны был укреплен блок. Схема подобной установки стоит перед вами. Как с помощью выставленных предметов можно осуществить движение рисунка самолета с грузиком из нижнего левого угла рамки в верхний правый таким образом, чтобы рука экспериментатора, движущая рисунок, не находилась бы внутри рамки (сцены)?
Дополнения. 1. Какое должно быть соотношение между длиной и высотой рамки для того, чтобы можно было осуществить указанное движение рисунка самолета?
2. Как будет двигаться рисунок самолета, если длина рамки больше ее высоты?
3. Зачем к рисунку самолета укрепляется грузик?
Решение и пояснения
20. (б-й кл.) Решение задачи понятно из рис. 28.
Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Высота рамки равна ее длине.
2. Если рисунок самолета начнет подниматься из левого нижнего угла, то он скроется наверху, не дойдя до верхнего правого угла. Для того чтобы он дошел до угла, его следует установить между левым и правым нижними углами.
3. Для того чтобы нити, поддерживающие рисунок, были натянуты.
Установка настолько проста, что позволяет в каждом отдельном случае, особенно при домашнем решении, приспособиться к окружающей обстановке. Проволока может быть натянута между ножками стула или стола, протянута поперек окна и т. п. В зависимости от этого следует внести соответствующие указания и в задачу.
Инерция.
Установка. Два ведра, одно из которых наполнено водой, другое – песком (или землей), вес которого равен весу воды.
Условие задачи. Возьмите ведро с водой за середину ручки, например, в левую руку, а ведро с песком – в правую и начните, опустив руки с ведрами, быстро поворачивать кисти рук то в одну, то в другую сторону. Ведро с водой послушно будет следовать за движением вашей руки. С другим ведром вам этого никак не удастся проделать.
Почему же, несмотря на то, что масса одного ведра и его содержимого равна массе другого, первое легко поворачивается в одну и другую сторону, а другое – нет?
Дополнение. Получится ли одинаковый эффект с железными ведрами, в одно из которых налита вода, а в другое – равное по весу количество ртути?
Решение и пояснения
21. (8-й кл.) Вращающиеся массы различны. В первом случае вращается практически только само ведро. (Начинает вращаться тонкий слой воды непосредственно около стенок. Остальная масса остается в покое вследствие весьма незначительного внутреннего трения.) Второе же ведро, с песком, вращается как одно целое. Вследствие этого во втором случае силы инерции значительнее, чем в первом.
Дополнение. Нет. Стенки железного ведра смачиваются водой, но не смачиваются ртутью. Поэтому вместе с первым ведром будет вращаться тонкий слой воды, а вместе со вторым ведром слой ртути вращаться не будет. Легче вращать в одну и в другую сторону, как указано в задаче, ведро со ртутью.
Инерция и трение.
Установка. Два одинаковых ведерка (игрушечных) или две консервных банки и т. п. подвешиваются каждое на тонкой веревке, сложенной вдвойне или на шнуре к какой-нибудь горизонтальной рейке, стержню и т. п.
Условие задачи. Два одинаковых ведерка висят на веревках. Если вы начнете рукой вращать ведерки вокруг их оси (вертикальная ось цилиндра), то тем самым вы закрутите веревки. Выпустив ведерки из рук, вы заставите их вращаться в обратном направлении, вследствие раскручивания веревок.
Чем надо наполнить ведерки, для того чтобы при раскручивании веревок одно из них сделало бы приблизительно в два раза больше оборотов, вращаясь в одном направлении, а другое – в два раза меньше при таком же вращении, чем сделали вы при закручивании веревки?
Дополнение. Проделайте тот же опыт с одним (большим) ведром, подвесив его на толстой веревке к какой-нибудь перекладине.
Почему вращающееся ведро, наполненное водой, вы легко и быстро остановите, стиснув его ладонями рук, а то же ведро, наполненное влажным песком (вес песка равен весу воды), вы не сможете остановить сразу, и ваши руки начнут вращаться вслед за ведром?
Решение и пояснения
22. (8-й кл.) Первое – песком, второе – водой. Первое вследствие вращения всей массы (после того как веревка раскрутится) начнет закручивать веревку, продолжая по инерции вращаться в том же направлении. Вращение второго ведра тормозится из-за внутреннего трения между слоем воды, который вращается вместе со стенками ведра, и остальной массой воды. Вследствие значительной не упругой деформации веревки число оборотов ведра с водой будет, как показывает опыт, немногим более половины тех, которыми вы закручивали веревку.
Дополнение. Большая вращающаяся масса у ведра с песком и, следовательно, большая кинетическая энергия.
Если при подготовке опыта обнаруживается, что вследствие деформации данной веревки число оборотов ведерок значительно отличается от указанного в задаче, необходимо внести соответствующее изменение в условие задачи.
Инерция жидкости.
Установка. Два рядом стоящие штатива. В одном укреплена воронка, в другом – стеклянная трубка с оттянутым концом, обращенным кверху. Трубка и воронка соединены резиновой трубкой (длина 0,5 м). Кружка с водой. Таз или банка.
Условие задачи. Установите верхний конец воронки на одинаковой высоте с кончиком стеклянной трубки. Из кружки медленно наливайте воду в воронку до тех пор, пока она не наполнит воронки, не дойдя на 1 см до ее края. На таком же расстоянии от кончика вода установится в стеклянной трубке. Вылейте из кружки остаток воды и затем снова слейте в пустую кружку всю воду из установки, перевернув воронку. Укрепите воронку в прежнем положении и вылейте сразу всю воду из кружки в воронку. Вода обязательно выльется из кончика трубки, может быть, даже брызнет вверх.
Почему же вода вылилась из трубки, если ее не хватало даже для того, чтобы наполнить воронку до ее края и трубку до острого кончика?
Дополнения. 1. Какие еще причины, кроме основной, могут сильно способствовать описанному эффекту?
2. Каким способом можно добиться того же явления без кружки, если воронка и трубочка уже наполнены водой, как сказано в задаче?
Решение и пояснения
23. (6-й кл.) Вследствие инерции воды, движущейся в трубке.
Дополнения (даются вместе с задачей). 1. Соотношение между диаметром отверстия на кончике стеклянной трубки и диаметром резиновой, между диаметром резиновой и ее длиной и между величиной ее провисания и расстоянием стеклянной трубки от воронки.
2. Стеклянную трубку поднимают вверх так, чтобы вода из резиновой трубки перелилась в воронку. Зажимают пальцами резиновую трубку около воронки и устанавливают стеклянную трубку в прежнем положении. Разжимают пальцы.
Дата: 2019-02-19, просмотров: 247.
