Материал к программе кружка по физике Как делаются открытия

Материалы к занятию «Что изучает физика?»

Ход занятия: Класс делится на группы - команды.

1 ОТГАДАЙ ЗАГАДКИ ( 1 балл за каждый правильный ответ)

Я в Москве, он в Ленинграде

В разных комнатах сидим.

Далеко, а будто рядом

Разговариваем с ним.

(Телефон)

Чудо-птица, алый хвост,

полетела в стаю звезд.

(Ракета)

В нашей комнате одно

Есть волшебное окно.

В нем летают чудо-птицы,

Бродят волки и лисицы,

Знойным летом снег идет,

А зимою - сад цветет.

В том окне чудес полно.

Что же это за окно?

(Телевизор)

Сначала - блеск, За блеском - треск, За треском - плеск.

(Молния, гром, дождь)

Что с земли не поднимешь ?

(Тень)

Никто его не видывал,

А слышать - всякий слыхивал.

Без тела, а живет оно,

Без языка - кричит.

(Эхо)

Пушистая вата

Плывет куда-то.

Чем вата ниже,

Тем дождик ближе.

(Туча)

Цветное коромысло над лесом повисло.

(Радуга)

Белый дым тянул за чуб,

Раскачал на поле дуб.

Застучал в ворота.

Эй, откройте! Кто там ?

(Ветер)

Летит - молчит. Лежит - молчит. Когда умрет, тогда заревет

(Снег)

И в огне не горит,

И в воде не тонет.

(Лед)

Что за звездочки чудные

На пальто и на платке?

Все сквозные, вырезные,

А возьмешь - вода в руке.

(Снежинки)

Железный острый нос

В землю врос.

Роет, копает, землю разрыхляет.

(Плуг)

Две сестры качались,

Правды добивались.

А когда добились, То остановились.

(Весы)

Всем поведает,

Хоть и без языка,

Когда будет ясно,

А когда - облака.

(Барометр)

2. ОПРЕДЕЛИ НА ГЛАЗ.

Желающие из каждой группы определяют длину заданного отрезка, объем налитой в банку воды и массу тела (прикинув его на руке). За правильный ответ - от 3 до 5 баллов.

3. КАК ЭТО НАЗЫВАЕТСЯ?

Показываю: метр, рулетку, линейку, циркуль, транспортир, часы, секундомер, термометр, электроплитку, весы, барометр, колбу, пробирку, воронку, компас, бинокль, микроскоп, фотоаппарат. За правильный ответ - 1 балл.

4. ВЫВОД. Все, что нас окружает интересует физику.

В загадках перечислены явления.

В конкурсе 2 упомянуты некоторые физические приборы.

Материал к занятию «Строение вещества».

Современная промышленность не может обойтись без самых разнообразных кристаллов. Они используются в часах, транзисторных приемниках, вычислительных машинах.

Существуют вещества с очень сложной структурой, как, например, некоторые силикаты, элементарная ячейка которых содержит более двухсот атомов. Другие вещества, например многие металлы, образуют кристаллическую решетку по очень простому закону. Мы, естественно, начнем с простейших образований. В наших опытах роль атомов будут играть металлические шарики, силами отталкивания будут упругие силы, возникающие при соприкосновении шаров, а силу притяжения заменит сила тяжести.

Натянем на отверстие круглой банки, коробки или отрезка трубы тонкую резиновую пленку (например, от хирургической перчатки) и закрепим ее с помощью резинового кольца. Положим на пленку два шарика. Они слегка прогнут пленку и притянутся друг к другу. Положив на пленку штук тридцать шариков и слегка встряхнув коробку, мы увидим, что шарики расположатся правильными рядами (рисунок 1). Центры шариков будут лежать в вершинах равносторонних треугольников со стороной, равной диаметру шара, а сами шарики заполнят всю плоскость и образуют сеть, которую называют гексагональной (от греческих слов «гекса» - шесть и «гониа» - угол). Каждый шар окружен шестью касающимися его и друг друга шариками. Их центры образуют правильные шестиугольники.

Если повернуть всю сеть вокруг оси, проходящей через центр любого шара, на одну шестую оборота, то одни шары станут на место других, а общее расположение системы в пространстве останется неизменным. Сеть шаров перейдет сама в себя. "После шести таких поворотов каждый шар встанет на прежнее место. Кристаллограф скажет в этом случае, что через центр каждого шара проходит перпендикулярная к плоскости шаров ось симметрии шестого порядка. Из-за этих-то осей сеть и получила название гексагональной. Кроме осей симметрии шестого порядка имеются также оси симметрии третьего порядка, проходящие через центры лунок между шарами. (Ось симметрии третьего порядка-это такая прямая, при повороте вокруг которой - каждый раз на угол в 120°-мы возвращаемся к первоначальной картине. Тело неправильной формы имеет ось симметрии первого порядка, т. е. оно переходит само в себя только при полном обороте. Напротив, через центр круга перпендикулярно к его плоскости проходит ось симметрии бесконечного порядка, так как круг переходит сам в себя при любом бесконечно малом угле поворота.)

Все дальнейшее будет понятно лишь в том случае, если у вас под руками будут шарики, на которых вы будете строить модели разных кристаллов.

Рассмотрим один прямолинейный ряд лунок между двумя рядами шаров (рисунок 2).

рис.3.

В нем имеются лунки двух сортов: одни сдвинуты к одному ряду шаров, другие - ко второму. Как тех, так и других столько же, сколько и шаров в ряду. Таким образом, в бесконечной сети лунок вдвое больше, чем шаров. Они образуют две гексагональные сетки, такие же, какие образуют центры шаров. Эти три сетки сдвинуты друг относительно друга так, что оси шестого порядка каждой сети совпадают с осями третьего порядка двух других.

В одну из этих систем лунок лягут шары второго слоя, образуя гексагональную сеть соприкасающихся шаров, подобную первой. Третий слой по расположению шаров в точности повторит первый, четвертый - второй и т. д. Слои будут повторяться через один. Мы получим не очень устойчивую пирамиду (рисунок 3), что, впрочем, связано только с тем, что в нашей модели сила «притяжения» действует только вниз и шары, лежащие в крайних лунках, легко выдавливаются шарами верхних слоев.

С построенными моделями можно проделать ряд физических опытов.

Встряхивая резиновую пленку, можно моделировать тепловое движение атомов. (Вы видите, как с «повышением температуры» разрушается правильная укладка шаров.)

Так как один гексагональный слой входит в сравнительно мелкие лунки другого, слои оказываются слабо связанными, в них легко может возникать скольжение. Попробуйте двигать один гексагональный слой по другому и вы убедитесь, что существуют три направления легкого скольжения, в которых слои передвигаются как целое. То же самое имеет место в кристаллах. Скольжением в этих трех направлениях объясняются особенности пластической деформации кристаллов.

Модели можно строить из любых шариков. Если нет возможности достать шарики от подшипников, то можно воспользоваться крупными бусами или в крайнем случае рябиной или мелкими яблоками, склеенными мячами для настольного тенниса. Этот сравнительно доступный и удобный материал.

ПУЗЫРЬКОВАЯ МОДЕЛЬ КРИСТАЛЛА

Что значит «реальный кристалл»? Это значит - совокупность огромного числа одинаковых атомов или молекул, которые расположены в строгом порядке, образуя кристаллическую решетку. В некоторых местах строгий порядок может нарушаться, и эти нарушения означают наличие дефектов в кристалле. И еще одна очень важная характеристика: образующие кристалл атомы между собой взаимодействуют. О том, как взаимодействуют,- немного позже, а здесь лишь бесспорное утверждение: взаимодействуют! Потому что, если бы не взаимодействовали, был бы не кристалл, а груда беспорядочно нагроможденных атомов. Поддержание в кристалле порядка - прямое следствие взаимодействия между образующими его атомами.

Очень распространена так называемая мертвая модель кристалла. Она устроена так: деревянные или глиняные шарики, соединенные друг с другом ровными проволочками. Шарики - атомы, проволочки - символы связей между атомами, их «замороженного» взаимодействия. Замороженность взаимодействия и делает модель мертвой.

В этой модели атомы разного сорта - шарики различных размеров и цвета, разные расстояния между атомами - проволочки различной длины. Это разумная и очень полезная модель кристалла. Рассказывая о кристалле далеко не всю правду, она говорит о нем только правду, не фальшивит. В ней нет никаких видов движения атомов в кристалле, зато очень четко отражен порядок в их расположении. Мертвая модель кристалла - великолепный помощник, когда надо зримо представить себе пространственное расположение атомов или, например, те направления в кристалле, в которых он деформируется или проводит электрический ток легче, чем в других. Она незаменима, если нужно, пользуясь данными опытов и так называемыми общими соображениями, представить себе возможное расположение атомов в еще не изученном кристалле.

Мы, однако, хотим моделировать не «мертвый», а «живой» кристалл. Для этого, очевидно, надо научиться моделировать взаимодействие между атомами в кристалле, оживлять замороженное в проволочках взаимодействие.

Именно это и сделали авторы модели ! В качестве строительных элемен­тов в этой модели использованы не глиняные и не дере­вянные шарики, а . . . маленькие мыльные пузырьки.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЫЛЬНЫХ ПУЗЫРЬКОВ НА ВОДЕ .

Они не безучастны друг к другу: два раз­общенных мыльных пузырька на поверхности воды друг к другу притягиваются, а соприкоснувшись, отталки­ваются друг от друга. Это можно наблюдать в очень простом опыте. Вот этот опыт.

Вначале раздобудем необходимое «оборудование»: та­релку, медицинскую иглу от шприца, волейбольную камеру и зажим с регулируемым поджатием, с помощью которого можно было бы с различной силой сжимать резиновую трубку - отросток волейбольной камеры. Теперь подготовим опыт. Тарелку почти доверху запол­ним мыльной водой и добавим в нее несколько капель глицерина. Это для того, чтобы пузырьки, которые мы

будем выдувать на поверх­ности мыльной воды, по­лучались устойчивыми. На­дуем волейбольную каме­ру, зажмем ее отросток и вставим в него иглу от шприца (разумеется, ту­пым концом). Опустим сво­бодный конец иглы под воду (неглубоко) и немного

ослабим зажим - из иглы одна за другой начнут выходить строго оди­наковые порции воздуха, которые будут превращаться в одинаковые мыльные пузырьки. Много пузырьков нам понадобится позже, а для первого опыта надо ухитриться создать всего два пузырька на некото­ром расстоянии друг от друга. Если сразу не полу­чится- получится после пятой попытки! Удобно этот опыт проводить с пузырьками, диаметр которых 1-2 мм.

Пузырьки созданы, теперь можно за ними наблю­дать. Сначала очень медленно, а затем ускоряясь (без нашего вмешательства), пузырьки будут двигаться на­встречу друг другу. Столкнувшись, они соприкоснутся не в точке, а как бы вдавятся один в другой. При этом несколько по-разному будут себя вести два одинаковых и два различных по размеру пузырька. Понаблюдайте! Сближение пузырьков можно проследить вплоть до их столкновения. После того как пузырьки столкнуться, между ними начинает действовать сила отталкивания.

МОДЕЛЬ В ДЕЙСТВИИ

С помощью модели оказалось возможным проверить некоторые следствия теории, построенной применительно к кристаллу, абсолютно свободному от каких-либо дефектов, так называемому идеальному кристаллу. Получить такой кристалл в натуре экспериментатор практически не может, а вот построить его из пузырьков оказалось просто и доступно.

Один из самых распространенных дефектов в кристаллах - это пустая позиция в узле решетки, незамещенная атомом. Физики называют ее вакансией. В модели вакансия - это один лопнувший пузырек (рисунок 2). В полном согласии со здравым смыслом и результатами опытов с реальными кристаллами модель свидетельствует о том, что объем одной вакансии немного меньше объема, приходящегося на занятую позицию. Действительно, после того как пузырек лопнул, его бывшие соседи немного переместятся в образовавшуюся пустоту и уменьшат ее. Невооруженным глазом это увидеть почти невозможно, но если спроектировать кино- или фотопленку на экран и тщательно промерить расстояния между пузырьками, можно убедиться, что по сравнению с занятой позицией вакансия немного сжата. Для физиков это свидетельство модели не просто качественная иллюстрация, оно имеет и количественную ценность.

Очень часто в кристалле вследствие его предыстории оказывается постороннее включение, деформирующее кристалл. При решении многих задач физики кристаллов очень важно знать, как при этом смещаются атомы, окружающие включение. Оказывается, присутствие инородного включения чувствуют не только непосредственные соседи, но и атомы, расположенные от включения на значительном расстоянии. Модель это отчетливо иллюстрирует

Большинство кристаллических тел являются поликристаллами. Это значит, что они состоят из множества произвольно ориентированных кристалликов, разделенных границами. Почти очевидно, что многие свойства поликристаллов (такие как механическая прочность или сопротивление электрическому току) должны зависеть от структуры границ. Модель и в этом вопросе оказалась очень полезной: подсказала кристаллофизикам, как изменяется структура границы в зависимости от взаимной ориентации граничащих кристалликов, от наличия примесей, расположенных на границе, и многое другое. Вот несколько примеров.

В поликристаллах может происходить процесс укрупнения одних участков (зерен) за счет других, в результате чего средний размер зерна увеличивается. Называется этот процесс рекристаллизацией и происходит он по причине очевидной: чем больше размер зерен, тем меньше суммарная поверхность границ, а значит, меньше и избыточная энергия, которая с границами связана. Энергия поликристалла при рекристаллизации уменьшается, следовательно, этот процесс может происходить самопроизвольно (поскольку приближает состояние устойчивого равновесия, в котором запас энергии минимален). На рисунке приведена кинограмма, иллюстрирующая последовательные этапы «поедания» крупным зерном расположенного в нем мелкого зерна.

Материал к занятию «Поведение частиц»

Простые опыты

1. Наблюдение диффузии в жидкостях и газах

Цель работы: пронаблюдать явление диффузии и оценить влияние температуры на скорость диффузии.

Оборудование: 1) пустой стакан, вода; 2) перманганат кали 3) вещество с сильным запахом (освежитель воздуха, одеколон, духи

Задание: пронаблюдайте диффузию перманганата калия воде и вещества с запахом в воздухе; выясните, зависит ли скорость диффузии от температуры среды, в которой она происходит, и где она протекает быстрее.

Ход работы

1. Положите в пустой стакан несколько кристаллов перманганата калия.

2. Аккуратно налейте в стакан холодную воду. Наблюдай за появлением и распространением в воде малиновой окраски.

3. Сделайте то же самое, но с горячей водой.

4. Небольшую порцию освежителя воздуха распылите в углу комнаты. Определите время, за которое запах распространится до противоположного угла комнаты.

5. Проветрив комнату, повторите то же самое, но распылив освежитель вблизи включенной настольной лампы.

Контрольные вопросы:

-Зависит ли скорость диффузии от температуры среды, в которой она происходит?

- Где диффузия происходит быстрее - в жидкостях или в газах?

2. Исследование межмолекулярного взаимодействия

Цель работы: пронаблюдать явления, в основе которых лежит взаимное притяжение частиц вещества; выяснить, отличаются ли силы взаимодействия между разными частицами в конкретной ситуации.

Оборудование: 1) стеклянные пластинки размером примерно 75x25x1 мм (2 шт.) или два небольших зеркальца; 2) стакан с водой; 3) лист бумаги.

Задание: прижмите друг к другу плашмя стеклянные пластинки - сначала сухие, затем смоченные водой, сравните силы взаимодействия между частицами стекла с силами взаимодействия между частицами стекла и частицами воды.

Ход работы

1. Протрите стеклянные пластинки бумагой, убедитесь в том, что они сухие и чистые.

2. Положите одну пластинку на другую, прижмите их плотно друг к другу пальцами.

3. Приподнимите верхнюю пластинку за уголки, убедитесь в том, что пластинки прилипли друг к другу.

4. Повторите опыт несколько раз, изменяя силу, с которой вы прижимаете пластинки.

5. Опустите одну пластинку в воду и убедитесь в том, что капельки воды прилипают к пластинке.

6. Прижмите смоченную пластинку к сухой и попытайтесь снова разъединить их.

Контрольные вопросы:

-Что лежит в основе притяжения друг к другу сухих стеклянных пластинок?

-Смоченных водой стеклянных пластинок?

- Капелек воды к стеклянной пластинке?

-Что больше - сила взаимодействия частиц стекла друг с другом или сила взаимодействия частиц стекла и частиц воды?

Материалы к занятиям «Часы и ванны, ящики и люди»»

Если вас спросить: «Сколько весит вода в полной ванне?», то вы, пожалуй, и думать над этим не станете. Но, предположим, вас попросили определить вес воды с помощью... часов. Это уже интереснее, верно?

Возьмем литровую кружку или кувшин. Если под рукой не окажется такой кружки, сойдет и обыкновенный граненый стакан. Вольем четыре таких стакана в кувшин и сделаем на этом уровне отметку - это и будет литр.

В старину была такая присказка: «Вешай тут, вешай там - литр всюду килограмм». «Литр» в данном случае означает литр воды. Если верить присказке, литр воды всюду весит один килограмм. Вообще-то это не совсем так. Однако для тех измерений, которые нам предстоят, можно со спокойной совестью принять, что литр воды весит ровно один килограмм.

Откроем кран ванны, но так, чтобы вода лилась не слишком быстро, и подставим нашу литровую посудину под струю. С помощью часов, имеющих секундную стрелку, определим, сколько времени потребовалось для заполнения посуды. Предположим, это заняло 10 секунд. 10 секунд - это 1/6 минуты. Значит, за каждую минуту - при данной скорости струи - в ванну вливается шесть литров, или шесть килограммов, воды.

Пусть вода течет с прежней скоростью. Откроем водосток, чтобы выпустить воду из ванны, а потом закроем его и заметим время, когда вода начала наполнять пустую ванну. Засечем время, когда ванна наполнилась (вплоть до верхнего отверстия или до заранее выбранной метки). Предположим, на это ушло 40 минут. Тогда, помня о том, что приток составляет шесть килограммов в минуту, мы можем высчитать вес воды в ванне: 6∙40, или 240 килограммов. Вообще-то говоря, такое малое количество воды вмещается только в небольшую ванну. Для ванны нормальных размеров потребовалось бы не меньше 500 килограммов. Но ждать 40 минут слишком долго. Чтобы ускорить дело, кое-кто захочет, пожалуй, открыть кран до отказа. Тогда для измерений нужно взять емкость побольше, скажем 10-литровый бидон или канистру. Вода в таком бидоне будет весить 10 килограммов.

Предположим, что при более быстром притоке воды для наполнения 10-литрового бидона потребовалось 12 секунд. За одну минуту в ванну вливается 60/12, или пять раз по 10 литров воды. Следовательно, вес ее составляет 5∙10, или 50 килограммов. Если же нужно 11 минут, чтобы наполнить ванну, то полное количество воды, влившейся в ванну, будет составлять 11 ∙ 50, или 550 килограммов.

Какой смысл в том, чтобы взвешивать воду с помощью часов? Вам неясно? Тогда представим себе, как выглядел бы иной способ взвешивания. Вам пришлось бы наполнить ванну водой, потом отсоединить все ведущие к ней трубы, выломать саму ванну из стены и с помощью подъемного крана поставить ее на огромные весы-платформу, которые вы каким-то чудом ухитрились втащить в ванную комнату. После этого вы должны будете взвесить ванну вместе с водой, потом слить воду, взвесить ванну без воды и вычесть вес пустой ванны из веса полной ванны, чтобы узнать вес воды. Теперь вам ясно, что такой способ взвешивания вряд ли удобен на практике!

Можно, конечно, найти вес воды и по частям - с помощью ведра и обыкновенных весов.

Вначале взвесим ведро. Потом наполним его водой и снова взвесим. Вычтя вес пустого ведра, мы узнаем вес самой воды. Теперь выльем воду в ванну, предварительно закрыв водосток. На сей раз, если мы упорно' хотим обойтись без часов, нам придется повторять эту процедуру до тех пор, пока ванна не наполнится. Общий вес воды мы получим, сложив вес воды во всех ведрах.

Так какой же способ легче - взвешивать воду с помощью часов или наполнять ванну ведрами? Если кто-нибудь еще сомневается, можете сами попробовать оба способа. Вы довольно скоро поймете, какой из них лучше.

Теперь попробуем ответить на такой вопрос. Если бы человек имел форму прямоугольного ящика, как, по-вашему, большой ящик из него получился бы или маленький?

Впрочем, нет, поставим вопрос по-иному. Предположим, мы изготовили пустую модель человеческого тела и засыпали внутрь песок. Какой величины понадобился бы ящик, чтобы вместить такое же количество песка: скажем, в метр длиной, шириной и высотой или в 10 сантиметров? Любопытно, часы могут помочь ответить и на этот вопрос.

Многие из вас, вероятно, знают, что объем кубика легко подсчитать, измерив его длину, высоту и ширину рулеткой или линейкой и перемножив все три числа. Например, в кубике, длина ширина и высота которого составляет

Уровень воды до погружения в ванну

Уровень воды после погружения

Рис. 22. Метод измерения вашего собственного объема.

10 сантиметров, содержится 10∙10∙10, или 1000 кубических сантиметров.

Но как измерить рулеткой толщину и высоту человека? Какую толщину измерять - самую большую или самую маленькую? Нет, для измерений такого объема рулетка или линейка явно не годятся.

Так, быть может, удобнее измерить объем тела, наполняя его водой из литровой посуды? Вряд ли. Но ведь не пытаться же втиснуть тело в ящик?! Этот способ едва ли можно кому-либо рекомендовать.

Существует, однако, очень простой прием, и заключается он в следующем: заменить объем тела равным объемом воды, а потом измерить этот объем обычным способом. Этот прием известен как «метод вытеснения», так как, погру­жаясь в воду, мы ее вытесняем. А объем вытесненной воды нетрудно измерить.

Метод вытеснения основан на том, что два различных тела не могут в одно и то же время занимать одно и то же место. Входя в наполненную ванну и погружаясь в нее, человек своим телом выталкивает воду из того места, которое она раньше занимала. Куда она может уйти? Только наверх. Вот почему по мере того, как человек погружается в воду, уровень воды в ванне поднимается. Теперь все, что нам остается для измерения объема тела, - это отметить уровень воды до и после погружения в ванну, а потом измерить объем «лишней» воды с помощью часов, верно?

Вот как следует поступать и как мы поступим. Нальем в ванну достаточно воды, чтобы можно было погрузиться в нее почти целиком. Прежде чем войти в ванну, сбоку сделаем отметку нижнего уровня воды. Такую отметку можно сделать цветным мелком - он легко стирается. Годится также кусочек клейкой ленты - после окончания опыта его можно отклеить.

Теперь войдем в ванну и погрузимся в нее, насколько сможем - так, чтобы вода не заливала только нос и глаза. Отметим изнутри новый уровень воды - любым способом, каким ухитримся.

После того как отмечены нижний и верхний уровни воды, задача состоит в том, чтобы узнать какой величины объем они ограничивают. Для начала выйдем из ванны. (И оботремся, разумеется!) Обратите внимание - вода опустилась почти до первой отметки. Задача измерения объема тела свелась теперь к нахождению объема воды, который занимает пространство между верхней и нижней отметками сбоку ванны.

Определим этот объем с помощью часов, пользуясь уже известным нам способом. Засечем время и откроем кран. Когда вода польется, наполним сосуд - литровую или полулитровую банку. Заметим, сколько времени потребуется воде, чтобы подняться в ванне до верхней отметки.

Один юный экспериментатор нашел, что его объем составляет 38 литров. А ваш?

Быть может, у кого-нибудь из вас дома найдется картонный ящик - такой, в какие обычно упаковывают радиоприемники. Взглянем на него. Что вы можете сказать об объеме вашего тела: равен он объему этого ящика? А может быть, больше? Или меньше? Как же узнать? Оказывается, это не так уж трудно, если принять во внимание такую, казалось бы, мелкую, но весьма существенную деталь: один литр имеет точно такой же объем, как и 1000 кубических сантиметров.

Предположим, кто-нибудь измерил объем своего тела и нашел, что он равен 38 литрам, или 38 000 кубических сантиметров. Какой величины получится ящик? Попробуем упростить задачу. Для этого примем, что ящик представляет собой куб, то есть все его стороны равны. Тогда нам нужно найти число, которое, если умножить его само на себя три раза, даст 38 000. Или, выражаясь математическим языком, нужно найти корень кубический из 38 000.

Попробуем 10X10X10. Это составляет 1000 - слишком мало.

Попробуем 20X20X20. Это составляет 8000 - опять слишком мало.

Попробуем 40X40X40. Это составляет 64 000 - слишком много.

Попробуем 30X30X30. Это будет составлять 27 000. Теперь опять слишком мало.

Попробуем 35X35X35. Это равно 42 875. Ближе к нужному числу.

Попробуем 33X33X33. Это составляет 35 937 - чуточку маловато.

Попробуем 34X34X34. Это равно 39 304 - почти то число, которое мы ищем.

Очевидно, ящик длиной 34 сантиметра, шириной 34 сантиметра, высотой 34 сантиметра имеет почти такой же объем, как и человек, у которого объем тела равен 38 литрам. Итак, каждая сторона ящика составляет всего около 7з метра. Не так уж много!

Задачи

1. В бассейн длиной 20 метров, шириной 8 метров и глубиной 1 метр льется вода со скоростью 4 литра в секунду. За какое время бассейн наполнится?

2. Вода начинает наливаться в 300-литровую ванну со скоростью 16 литров в минуту. Через пять минут кто-то в нижней квартире открыл душ, и скорость струи уменьшилась до 8 литров в минуту. На сколько дольше придется ждать, чтобы ванна наполнилась?

Самостоятельные исследования

1. Утверждают, что литровая банка вмещает четыре граненых стакана. Проверьте, так ли это?

2. Действительно ли 1 литр воды весит 1 килограмм? Попробуйте взвесить литр воды на обычных весах и как можно точнее.

3. Действительно ли в литре такой же объем, как в 1000 кубических сантиметров? Попытайтесь доказать это собственными измерениями.

Материалы к занятию «Капли»

Какие бывают капли

Сложнее обстоит дело с формой капель. Стремлению поверхностного натяжения уменьшить поверхность жидкости здесь обычно противодействуют другие силы. Например, капля жидкости почти никогда не является шаром, хотя шар имеет наименьшую из всех фигур поверхность при заданном объеме. Когда капля покоится на неподвижной горизонтальной поверхности, она оказывается сплющенной.

Сложную форму имеет и падающая в воздухе капля. И только капля, находящаяся в невесомости, принимает совершенную сферическую форму.

На рисунке показаны различные стадии красивого процесса образования и отрыва капли Попробуем объяснить это явление.

Пока капля растет медленно, можно считать, что в каждый момент времени она находится в равновесии. Тогда при заданном объеме капли ее форма определяется из условия, что сумма поверхностной энергии и потенциальной энергии капли, обусловленной силой тяжести, минимальна. Поверхностное натяжение вызывает сокращение поверхности капли, оно стремится прядать капле сферическую форму. Сила тяжести, наоборот, стремится расположить центр масс капли как можно ниже. В результате капля оказывается вытянутой.

Чем больше капля, тем большую роль играет потенциальная энергия силы тяжести. Основная масса по мере роста каши собирается внизу, и у капли образуется шейка (вторая фотография на рис. 8). Сила поверхностного натяжения, направлена вертикально по касательной к шейке. Она уравновешивает силу тяжести, действующую на каплю. Теперь достаточно капле совсем немного увеличиться, и силы поверхностного натяжения уже не смогут уравновесить силу тяжести. Шейка капли быстро сужается (третья фотография) отделяется маленькая капелька.

А видели вы очень большие капли? В обычных условиях таких капель нет. Капли большого диаметра неустойчивы и разрываются на маленькие.

Расположив утюг горизонтально, капните на него немного воды. Если температура утюга около 100 °С , то ничего особенного не произойдет. Капелька растечется по поверхности утюга и быстро, за несколько секунд, испарится. Если же температура утюга значительно больше 100°С (300- 350°С), картина явления будет другой. Капелька, упав на утюг, отскочит от него, как мячик от пола (невысоко, на высоту 1-5 мм), и затем будет двигаться, не касаясь нагретой поверхности. Стабильность такого состояния зависит, прежде всего, от температуры поверхности - чем сильнее нагрет утюг, тем спокойнее ведет себя капля. Кроме того, время пребывания капли на утюге до полного ее испарения увеличивается во много раз. Причем скорость испарения капли зависит от ее размера: большие капли быстро уменьшаются в размерах до 3-5 мм, а маленькие «живут» довольно долго без заметных изменений. В одном из наших опытов капля диаметром 3 мм продержалась до полного испарения около 5 минут (300 секунд).

В чем причина столь странного поведения капли? Вернемся к началу опыта - капля воды падает на раскаленную поверхность. В начальный момент ее температура около 20°С. Затем буквально за доли секунды нижние слои нагреваются до 100°С, и начинается столь интенсивное испарение, что сила давления образующихся паров воды становится больше силы тяжести капли. Капля подпрыгивает, затем снова падает на утюг. За несколько подскоков вся вода в капле успевает прогреться до температуры кипения. Далее при достаточной температуре нагретой поверхности капля быстро успокаивается и начинает двигаться на некоторой высоте над этой поверхностью. Очевидно, в этом случае сила давления паров воды уравновешивает силу тяжести, действующую на каплю. В установившемся режиме капля довольно стабильна и «живет» значительное время.

Обратите внимание на форму капли. При малых размерах форма капли близка к сферической, а при больших - сфера оказывается сильно сжатой в вертикальном направлении. Дело в том, что капля над горячей поверхностью находится как бы на паровой подушке, опирается на нее. Возникает сила реакции, которая и вызывает деформацию капли. Чем капля больше, тем эта деформация заметнее.

В каплях (особенно больших) могут возникать колебательные процессы, например, сжатие и растяжение, а также и более сложные колебания (рис. 1,2)

Рис .1

Рис.2

На рис.1 в центре капли видно темное пятно. Это - образовавшийся внутри капли воды пузырек пара. В больших каплях может возникнуть несколько пузырьков. Иногда капля приобретает форму кольца с обним большим пузырьком пара посередине. На рис. 2 показан один из наиболее интересных видов капель -«треугольная капля».

В заключении несколько советов тем, кто захочет сам провести описанные опыты.

1. Желательно взять утюг, рабочая поверхность которого была бы как можно ровнее, т. е. чтобы отсутствовали царапины, неровности и т. п. Встреча капли с неровностью утюга значительно сокращает время ее жизни (подумайте, почему?).

2. Утюг надо как-то закрепить (например, в штативе) и привести его поверхность в горизонтальное положение. В наших опытах использовался штатив от геодезического прибора.

3. Не следует забывать и о технике безопасности, прежде всего, о надежности изоляции провода утюга и о предохранении от попадания кипящей воды на руки.

Материал к занятию «Пузыри»

Мыльные пузыри

Умеете ли вы выдувать мыльные пузыри? Это не так просто, как кажется. И мне казалось, что здесь никакой сноровки не нужно, пока я не убедился на деле, что уменье выдувать большие и красивые пузыри - своего рода искусство, требующее упражнений. Но стоит ли заниматься таким пустым делом, как выдувание мыльных пузырей? В общежитии они пользуются худой славой; по крайней мере в разговоре мы вспоминаем о них для не особенно лестных уподоблений. Совсем иначе смотрит на них физик. «Выдуйте мыльный пузырь,- писал великий английский ученый лорд Кельвин, - и смотрите на него: вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики».

Те немногие опыты, которые описаны ниже, не преследуют серьезных задач. Это просто интересное развлечение, которое лишь познакомит нас с искусством выдувания мыльных пузырей.

Их можно производить с раствором простого хозяйственного мыла, но для желающих мы укажем на оливковое или миндальное мыло, которое наиболее пригодно для получения крупных и красивых мыльных пузырей. Кусок такого мыла разводят осторожно в чистой холодной воде, пока не получится довольно густой раствор. Всего лучше пользоваться дождевой или снеговой водой, а за неимением ее - кипяченой и охлажденной водой. Чтобы пузыри держались долго, Плато советует прибавлять к мыльному раствору 1/3 глицерина (по объему). G поверхности раствора удаляют ложкой пену и пузырьки, а затем погружают в него тонкую трубочку, конец которой изнутри и извне вымазан предварительно мылом. Достигают хороших результатов и с помощью соломинок длиной сантиметров в десять, крестообразно расщепленных на конце.

Выдувают пузырь так: всосав предварительно в трубку немного раствора, осторожно дуют в нее, держа трубку отвесно. Так как пузырь наполняется при этом теплым воздухом наших легких, который легче окружающего комнатного воздуха, то вздутый пузырь тотчас же поднимается вверх.

Если удастся сразу выдуть пузырь сантиметров в десять диаметром, то раствор годен; в противном случае прибавляют в жидкость еще мыла до тех пор, пока можно будет выдувать пузыри указанного размера. Но этого испытания мало. Выдув пузырь, обмакивают палец в мыльный раствор и стараются пузырь проткнуть; если он не лопнет, то можно приступить к опытам; если же пузырь не выдержит, надо прибавить еще немного мыла.

Производить опыты нужно медленно, осторожно, спокойно. Освещение должно быть по возможности яркое, иначе пузыри не покажут своих радужных переливов.

Вот несколько занимательных опытов с пузырями

Мыльный пузырь вокруг вазочки. В тарелку или на поднос наливают мыльного раствора столько, чтобы дно тарелки было покрыто слоем в 2-3 мм; в, середину кладут вазочку (или цветок) и накрывают стеклянной воронкой. Затем, медленно поднимая воронку, дуют в ее узкую трубочку,- образуется мыльный пузырь; когда' же этот пузырь достигнет достаточных размеров, наклоняют воронку, высвобождая из-под нее пузырь.

Тогда вазочка окажется лежащей под прозрачным полукруглым колпаком из мыльной пленки, переливающей всеми цветами радуги.

Вместо вазочки можно взять статуэтку, увенчав ее голову мыльным пузырьком . Для этого необходимо предварительно капнуть на голову статуэтки немного раствора, а затем, когда большой пузырь уже выдут, проткнуть его и выдуть внутри него маленький.

Несколько пузырей друг в друге. Из воронки, употребленной для описанного опыта, выдувают, как и в том случае, большой мыльный пузырь. Затем совершенно погружают соломинку в мыльный раствор так, чтобы только кончик ее, который придется взять в рот, остался сухим, и просовывают ее осторожно через стенку первого пузыря до центра; медленно вытягивая затем соломинку обратно, не доводя ее, однако, до края, выдувают второй пузырь, заключенный в первом, в нем - третий, четвертый и т. д.

Цепочка из пузырей. Чтобы составить ее (рис. 65), нужно быстро сбрасывать в воздух, один за другим, несколько мыльных пузырей, по возможности одинаковых размеров.

Материалы к занятию «Атмосферное давление»

Как, по-вашему, плавая в океане, рыба ощущает, что вокруг нее вода? А собака чувствует, что прогуливается по дну воздушного океана?

«Привычка порождает безразличие» или, по крайней мере, отсутствие ощущений. Рыба, которая в воде родилась и живет всю свою жизнь, наверняка не замечает воду вокруг себя и совершенно не ощущает давления воды, вызванного ее тяжестью. Точно так же собака не замечает, что ее окружает воздух и что он оказывает изрядное давление на ее тело. Да и мы бы этого не заметили, если бы не услышали от кого-нибудь или не прочитали об этом в книге. Воздух дает о себе знать только в особых случаях. То вдруг он начинает быстро двигаться, как бывает при встречном ветре, то сгущается в облако и становится видимым. Но, пожалуй, самый лучший способ убедиться в том, что воздух действительно имеется,- это понаблюдать за тем, как он своей тяжестью давит на находящиеся внизу предметы.

Возьмем высокий пластмассовый стакан или другой какой-нибудь сосуд и полностью погрузим его в воду в ванне. Подождем, пока стакан наполнится водой, а потом перевернем его вверх дном и начнем медленно вытаскивать из воды.

Но что это? Вода поднимается вместе со стаканом, так что ее уровень становится намного выше, чем уровень воды в ванне!

Воду в стакане как будто бы ничто не поддерживает. Но там все-таки должно что-то быть, иначе бы вода опустилась. Что же это за сила?

Воздушный океан над нашими головами простирается вверх почти на 200 км. И хотя воздух в этом океане кажется нам почти невесомым, на самом деле он все же имеет некоторый вес. А уж на самом дне воздушного океана, на 200-километровой глубине, вес воздуха становится вполне ощутимым. В результате давление воздуха на все предметы и тела, находящиеся на поверхности Земли, в свою очередь оказывается вполне ощутимым - около килограмма на каждый квадратный сантиметр. Наша ванна не составляет исключения - в ней воздух давит на поверхность воды точно так же, как на все остальное.

Когда мы поднимаем перевернутый вверх дном стакан, вода в нем начинает опускаться из-за того, что ее тянет вниз притяжение Земли. Но опускается она не очень низко. Чтобы понять, почему это так, представим себе, будто вода в стакане и в самом деле немного опустилась, как показано на рисунке пунктирной линией .

Что будет находиться в стакане в той его части, которая расположена выше этой линии? Разумеется, там воздуха нет, а потому нет и давления. Иначе говоря, выше линии А в стакане нет атмосферного давления.

Теперь обратите внимание на стрелки, обозначенные буквами Б и В. Они изображают атмосферное давление, которое давит вниз на поверхность воды. Под тяжестью находящегося выше воздуха вода сжимается и тоже оказывается под давлением. Поэтому она стремится втиснуться в любое доступное ей пустое пространство. В результате едва лишь вода в перевернутом стакане хоть немного на­чнет опускаться, как давление тут же - это показано стрелками Г и Д - вталкивает ее обратно.

На самом же деле вода в стакане никогда и не опуска­ется настолько, чтобы это можно было заметить невоору­женным глазом. Атмосферное давление вталкивает воду обратно в стакан и удерживает там, когда мы поднимаем стакан.

Но если атмосферное давление способно поддерживать воду в перевернутом стакане высотой в 15 сантиметров, не сможет ли оно поддерживать воду в сосуде высотой в 30 сантиметров? 60 сантиметров? 3 метра? 15 метров? Если вы захотите исследовать самые высокие сосуды, какие только найдутся в доме, то без труда обнаружите, что вода удерживается и в них.

Однако существует предел, до которого можно поднять воду таким способом. Ведь вода имеет вес и притом гораз­до больший, чем воздух (если сравнивать одинаковые их объемы). Вода в 800 раз тяжелее воздуха. Под действием собственного веса она в свою очередь давит вниз, как и воздух. Оказывается, что на глубине 1033 сантиметра вода давит на каждый квадратный сантиметр с такой же силой, как и весь воздух в воздушном океане. Следовательно, дав­ление столбика воды высотой в 1033 сантиметра точно уравновешивает атмосферное давление, которое поднимает воду в закрытой трубке.

Представим себе очень длинную - высотой в 15 мет­ров - перевернутую вверх дном трубку; допустим, что мы медленно вытаскиваем ее из воды. Когда закрытая часть трубки достигнет высоты 1033 сантиметра над уровнем воды, жидкость внутри трубки перестанет подниматься. Она так и останется на высоте 1033 сантиметра, хотя бы мы и продолжали поднимать трубку, но при этом в трубке выше уровня воды образуется пустое пространство, кото­рое называют вакуумом.

Что произойдет с водой в трубке, если по каким-то при­чинам наружное атмосферное давление несколько умень­шится? Оно более не сможет удерживать 1033 сантиметра воды, и уровень воды в трубке понизится.

Предположим теперь, что атмосферное давление увели­чилось. Тогда оно будет в состоянии удерживать больше, чем 1033 сантиметра воды, и уровень воды в трубке под­нимется. Мы с вами разобрали сейчас, по существу, прибор, с помощью которого можно измерять атмосферное давление, - барометр. В нашем барометре атмосферное давление уравновешивается столбиком воды. Величина атмосферного давления измеряется высотой водяного столбика, который оно способно поддерживать.

Водяной барометр впервые был сооружен Отто Герике несколько сотен лет назад. Он взял широкую стеклянную трубку высотой более 10 метров, закрыл ее сверху, наполнил водой и выставил над крышей своего дома. Нижняя часть трубки уходила в бассейн с водой. Герике сконструировал свой барометр таким образом, что горожане могли видеть уровень воды в верхней части трубки и имели возможность наблюдать, как при перемене атмосферного давления вместе с водой то поднимался, то опускался поплавок в трубке. Если поплавок скрывался под крышей, горожане знали, что атмосферное давление падает и, по всей видимости, погода ухудшится. Если же поплавок в трубке появлялся над крышей, это указывало на вероятное улучшение погоды.

Почему изменение атмосферного давления предвещает возможную перемену погоды? Дело в том, что теплый сырой воздух, обычный предвестник плохой погоды, легче холодного сухого воздуха, который, как правило, приносит с собой хорошую погоду. Поэтому атмосферное давление падает с наступлением плохой погоды и повышается с приближением хорошей.

Барометр, конечно, очень полезный прибор. Но трубка высотой более 10 метров, к тому же почти целиком заполненная водой, явно очень неудобное устройство. Можно значительно уменьшить высоту трубки, если вместо воды заполнить ее ртутью - жидким металлом, который в 13,6 раза тяжелее воды. Ртутный барометр создает такое же давление на донышке трубки, если она имеет высоту всего 1033/13,6, или 76 сантиметров. Это уже гораздо удобнее. Поэтому обычно для наполнения барометрических трубок применяют не воду, а ртуть. Такой прибор ничем не отличается от водяного барометра на рисунке, только он намного меньше и трубку не приходится поддерживать рукой. Она закрепляется в нужном положении другим несложным способом.

Материалы к занятию «Жара и холод»

А что если при очередном купании мы не будем торопиться открывать кран? Залезем голышом в пустую ванну и попробуем посидеть - не в воде, а просто так. Брр... Ну и холодина!

Но разве ванна сама по себе холодная? Ну-ка, подумаем. Если бы ванна на самом деле была холоднее, чем воздух или окружающие предметы, она постепенно нагрелась бы от них и достигла той же температуры.

Нет, ванна такая же теплая, как и все вокруг. Это можно проверить термометром. Подержим его в комнате несколько минут, чтобы он нагрелся до комнатной температуры. Какую температуру он показывает? Теперь положим термометр на дно пустой ванны таким образом, чтобы его кончик прикасался к ванне. Подождем несколько минут, а потом посмотрим, какую температуру он показывает теперь. Ну как, разве показания изменились?

Но если пустая ванна ничуть не холоднее всего остального в ванной комнате, почему же в ней ощущается такой холод?

Наше тело плохо приспособлено к тому, чтобы ощущать температуру саму по себе. Оно ощущает только собственное нагревание или охлаждение. Если тело очень быстро теряет тепло и кожа очень быстро охлаждается, возникает ощущение холода. Если тело очень быстро нагревается, возникает ощущение тепла.

Мы теплокровные, то есть наше тело обычно сохраняет некую постоянную температуру - около 37° по Цельсию. Нормальная комнатная температура примерно 20-22°. И так как тело почти на 15° теплее всего, что находится в комнате, нам приходится непрерывно отдавать тепло наружу.

Почему же в таком случае в комнате с температурой 21° человек чувствует себя лучше, чем в комнате с температурой в 30°? Человеку, чтобы жить, необходимо «сжигать» пищу, а при этом обязательно образуется тепло. Если этому теплу позволить накапливаться внутри организма, температура тела будет непрерывно повышаться. Когда она достигает 40°, человек начинает чувствовать себя прескверно. Если же температура повышается до 43°, даже на короткое время, обычно наступает смерть; поэтому, чтобы такого не случилось, тело непрерывно должно отдавать тепло наружу.

В комнате с температурой 20° мы чувствуем себя нормально, потому что при этой температуре скорость отдачи тепла наружу почти равняется скорости образования в организме нового тепла за счет «сжигания» пищи.

Ну, а что случится, если войти в горячую парную, где температура воздуха около 75°? Как вообще человек может существовать при такой температуре? А вот как. Открываются поры потовых желез, и на коже выступает большое количество пота. Пот быстро испаряется в воздухе. Благодаря этому тело охлаждается - по крайней мере настолько, чтобы продержаться при температуре в 75° минут 15-30. Без такого охлаждающего действия испарения ни один человек не мог бы перенести температуру выше 35°.

Охлаждающее действие испарения нетрудно наблюдать самому. Достаточно смочить водой тыльную сторону ладони и дать воде испаряться. Рука холодеет, верно?

Можно также попробовать обернуть кончик термометра кусочком ваты, а потом смочить вату водой комнатной температуры. Понаблюдаем за показаниями термометра по мере того, как вода будет испаряться из ваты. Температура понизится на 10-20°, а то и больше. Когда же вся вода испарится, температура снова поднимется до комнатной, так как охлаждающего действия больше не будет.

А вот другой опыт, который можно проделать тут же, в ванне. Допустим, на сей раз мы принимаем ванну как обычно, вместо того чтобы отвлекаться на посторонние исследования свойств тепла. Наполним ванну теплой водой, сядем в нее, поплещемся как следует, быть может, даже помоемся немного. Ну вот и все! Встаем, хватаем полотенце и быстро вытираемся... Минуточку! Что, если сегодня, в порядке исключения, не бросаться сразу к полотенцу, а минуту-другую постоять, чтобы увидеть (вернее, почувствовать), что произойдет?

Вам не придется стоять слишком долго. Холод почувствуется очень скоро. А почему? Да потому, что испарение с поверхности влажного тела быстро его охлаждает.

Мы уже узнали, каким образом человек управляет температурой своего тела в случае перегревания. А как он поступает, если температура падает и становится очень холодно? При низкой температуре скорость отдачи тепла наружу гораздо выше, чем при температуре 20°. Тело начинает охлаждаться слишком быстро, и его температура грозит упасть ниже тех 37°, при которых организм человека функционирует нормально. Это уже опасно. Температура тела не может понижаться слишком долго без ущерба для организма. Существует два способа справиться с этой угрозой: либо тело станет производить больше тепла, «сжигая», больше пищи, либо же оно найдет способ уменьшить отдачу тепла.

Теплокровные животные выработали множество приемов, уменьшающих потерю тепла в холодную погоду. У некоторых из них с наступлением зимы шерсть становится гуще. Некоторые птицы распушают перья, чтобы соорудить себе временную толстую «шубу», которая удерживает воздух около тела. Благодаря этому тепло их тела сохраняется. Другие животные решают ту же задачу, сворачиваясь клубком, как можно плотнее, и впадая в глубокую зимнюю спячку. Круглый, как шар, клубок - самая компактная форма, она меньше всех других позволяет соприкасаться с наружным холодным воздухом.

Спячка сопровождается резким падением температуры тела, так что оно приближается по температуре к окружающей среде. При этом сильно уменьшается отдача тепла. Кроме того, организм животного прекращает всякие намеренные движения и действия, в связи с чем уменьшается потребность в энергии. В результате того ограниченного количества пищи, которое запасено в организме, оказывается вполне достаточным, чтобы вырабатывать тепло на протяжении долгих зимних месяцев.

Люди выработали собственные способы, позволяющие им уберечь тело от потерь тепла в холодную погоду. Мы строим дома и отапливаем их, создавая таким образом ту температуру, при которой хорошо себя чувствуем. Выходя наружу, мы закутываемся в одежду, которая уменьшает скорость отдачи тепла из организма и не дает нам замерзнуть.

Из какого материала следует делать одежду? Что можно сказать об одежде, сплетенной из стальных проволочек? У нее, разумеется, есть свои достоинства - например, прочность и долговечность. Но зато сколько недостатков! Одним из них, к примеру, было бы ощущение, будто сидишь голышом в пустой ванне. Стальная одежда казалась бы холодной при 20°, очень холодной - при 15° и невыносимо холодной - при 10°.

Вот мы и вернулись к нашему исходному вопросу. Почему, когда сидишь раздетым в ванне, ощущение совсем не такое, как если бы сидел в кровати? Ведь и ванна, и кровать имеют одинаковую комнатную температуру - около 20°. Но в ванне раздетому человеку холодно, а в кровати он чувствует себя хорошо. Ясно, что тут должно быть какое-то различие: ванна отнимает тепло у человеческого тела гораздо быстрее и энергичнее, чем одежда или кровать.

Вспомним сказанное в разделе 5 о том, что ваппа сделана из железа, покрытого тонким слоем глазури. Железо, как и все металлы, - хороший проводник тепла; это значит, что оно довольно легко пропускает сквозь себя тепло. А вот вата и шерсть - плохие проводники тепла (изоляторы). Они всячески препятствуют прохождению тепла. Ощущение холода в ванне возникает из-за того, что железо быстро пропускает тепло, идущее с поверхности тела. На простыне же или под шерстяным одеялом холод почти не ощущается, потому что эти предметы не дают теплу быстро уходить из тела.

Попробуем проделать следующий опыт. На одну горелку газовой плиты поставим металлическую сковородку, а на другую - сосуд из жаропрочного стекла (если в доме найдется такой). Нальем в них немного воды. Одновременно зажжем обе горелки и отрегулируем небольшой огонь. В какой посуде вода закипит раньше? Мы увидим, что сначала она закипит на металлической сковородке, так как сквозь металл тепло проходит намного быстрее, чем сквозь стекло. Жаропрочное стекло довольно плохой проводник тепла, и стеклянная посуда нагревается изнутри намного медленнее.

Воздух очень плохой проводник тепла, если только он не движется. Движение воздуха помогает теплу переходить от одного тела к другому - в этом легко убедиться, подержав руку над горелкой. Следовательно, такие вещества, внутри которых удерживается воздух, превосходно останавливают утечку тепла, и про них можно сказать, что они хорошие изоляторы. Можно, например, изготовить для туристского похода переносный холодильник из пеностирола - вспененной пластмассы, внутри которой имеется множество пустот, заполненных воздухом. Если поставить в такой холодильник бутылку лимонада, она долго будет оставаться холодной, потому что тепло снаружи будет проникать очень медленно. Минеральная шерсть, стекловата или асбест тоже в основном наполнены находящимся внутри воздухом; эти материалы используются для изоляции домов, чтобы удерживать тепло: зимой - внутри, а летом - снаружи.

Напротив, металлы используются для изготовления таких предметов, как кастрюли или радиаторы отопления, когда нужно, чтобы тепло быстрее проходило сквозь стенки.

Можно установить, как проводят тепло различные предметы в 'ванной комнате. Для этого достаточно потрогать их рукой. Попробуем на ощупь деревянную дверь, полку, металлический радиатор, стеклянную дверную ручку, кафельный пол, кафельную стену, зеркало, оштукатуренную стену, сухое полотенце, мохнатую купальную простыню, бумажную обертку из-под мыла. Какой из этих предметов кажется вам холодным? Такие предметы (вещества) - хорошие проводники тепла; это видно из того, что рука быстро отдает тепло, когда к ним,прикасается. Те же предметы, которые не кажутся холодными,-изоляционные материалы; они уменьшают отдачу тепла с поверхности руки.

Что такое тепло

Все сведения, которые вы сейчас получили, уже, па-верное, заставили кое-кого призадуматься. Каким образом тепло проходит сквозь сплошной металл? Почему от испарения тела охлаждаются?

Много лет понадобилось ученым, чтобы разработать такую теорию, которая исчерпывающе отвечает на все эти и подобные вопросы. Теория эта основана на свойствах молекул - невероятно малых частичек, из которых состоит любое вещество. Молекулы непрерывно движутся, даже в твердом веществе, то и дело сталкиваясь друг с другом. Тем не менее они не вылетают из твердого вещества благодаря сильному притяжению со стороны других молекул.

Чем быстрее движутся молекулы в твердом веществе, тем выше его температура. Иными словами, тепло обусловлено движением молекул. То же справедливо и для жидкости, и для газа, разве что в них молекулы могут двигаться посвободнее, причем в газах эта свобода больше, чем в жидкости..

Как же все-таки тепло проходит сквозь сплошное вещество, например через металлическое дно кастрюли? В этом нет ничего таинственного, если только помнить, что тепло - это один из видов движения, а не какое-то особое вещество вроде воды или воздуха. Движение молекул - вот что передается через металл!

Попробуем разобраться, что происходит, если кастрюлю с супом поставить на плиту. Движение молекул горящего газа или раскаленной электрической спирали намного быстрее обычного. Потому-то они и горячие, газ или спираль. Эти быстрые молекулы ударяются о молекулы металла на внешней стороне донышка кастрюли, и те в свою очередь начинают двигаться быстрее. Затем уже они соударяются с молекулами, находящимися повыше, и те начинают двигаться быстрее. Вот так, от молекулы к мо- лекуле, это быстрое колебательное движение передается через металл к жидкости в кастрюле.

Теперь объясним, почему происходит охлаждение, когда вода или иная жидкость испаряется. Жидкости отличаются от твердых веществ тем, что в них молекулы могут отрываться друг от друга и двигаться сами по себе. Сил притяжения между молекулами уже недостаточно, чтобы заставить каждую молекулу «танцевать» около одного определенного места, словно на привязи, как это происходит в твердом теле. Однако силы притяжения между молекулами в жидкости все еще достаточно велики, чтобы удержать их вместе, как одно целое, внутри сосуда.

Во время своих «блужданий» молекулы в жидкости сталкиваются друг с другом; их скорость настолько велика, что можно даже сказать: они бомбардируют друг друга. Время от времени какая-нибудь молекула, находящаяся вблизи поверхности жидкости, в результате одного из этих ударов получает такую скорость, что выскакивает из жидкости в воздух. Сумеет ли она преодолеть силу притяжения со стороны тех молекул жидкости, которые находятся внизу, под нею? Это зависит от того, как быстро она летит. Иные молекулы движутся достаточно быстро, так что могут полностью оторваться от жидкости и стать частицами газа или пара. Они-то и испаряются.

Заметим, что при испарении из жидкости уходят самые быстрые молекулы. Какие же остаются? Очевидно, те, что движутся медленнее. Но более медленные молекулы означают более низкую температуру. Поэтому вода будет становиться холоднее. Если случится так, что вода будет испаряться с влажной кожи человека, то ему станет довольно прохладно.

Молекулярная теория тепла, с которой мы сейчас познакомились, насчитывает почти полтора столетия. С момента ее появления тысячи ученых проверяли теорию сотнями различных способов. В настоящее время уже почти нет никаких сомнений в том, что она верпа, и все ученые считают молекулярную теорию тепла правильной.

Задачи

1. Что быстрее охлаждается - наполненная горячей водой ванна или стакан горячей воды?

2. Удастся ли вам придумать три способа, позволяющих ускорить испарение жидкости? Как объяснить, почему каждый из них помогает испарению?

3. Почему в сырую погоду теплее, чем в сухую?

Самостоятельные исследования

1. Разберитесь в охлаждающем действии испарения в холодильнике.

2. Придумайте и смастерите ящичек, в котором кусок льда не растаял бы полностью и через 10 часов.

Материал к занятию «Ванна и Северная Канада»

Какое отношение имеет Северная Канада к нашей ванне?

Если вы посмотрите на компас, то обратите внимание на то, что концы его стрелки окрашены в разные цвета. Допустим, в нашем распоряжении компас, у которого северный конец стрелки окрашен в голубой цвет, а южный - в белый. Проведем следующий опыт: держа компас ровно, поднесем его к верхнему краю ванны. Голубой конец стрелки повернется и уставится прямо на ванну. Теперь положим компас на пол около ванны. На сей раз стрелка повернется в сторону ванны своим белым концом.

Повторим опыт в разных местах вверху и внизу ванны. Всюду получается один результат: все участки в верхней части ванны притягивают к себе голубой конец компасной стрелки, все участки в нижней части - белый конец.

Чтобы разобраться в поведении компаса, нам потребуются дополнительные сведения, которые мы получим из опытов с прямолинейным магнитом.

Представим себе, что мы положили такой магнит в маленькую плоскую пластмассовую тарелочку и опустили тарелку в середину наполненной водой ванны. Что, по-вашему, произойдет?

Тарелка с магнитом, слегка покачиваясь, начнет поворачиваться и наконец остановится, причем магнит будет указывать в определенную сторону. Если слегка крутануть тарелку и потом отпустить ее, она снова займет такое положение, что концы магнита будут указывать то же направление. Проделайте этот опыт самостоятельно.

Рис. 1. Компас можно сделать и таким способом.

А теперь проверим, показывает ли магнит в тарелке на север. Для этого воспользуемся обычным компасом, но будем держать его подальше от ванны или раковины - ведь мы уже видели, что железо, из которого сделана ванна, влияет на способность магнита указывать направление. Положим компас на ладонь, постараемся держать ее ровно и понаблюдаем за стрелкой. Стрелка повернется, и голубой ее конец укажет определенное направление. Оно близко к северному, но не совсем. Это то же направление, которое указывает магнит в тарелке.

Часто мы вместо того, чтобы сказать: «обращенный к северу» или «обращенный к югу» конец стрелки или полюс, говорим просто: «северный» или «южный» полюс. Это, конечно, очень удобно в повседневной жизни, но сейчас мы увидим, что такое, казалось бы, незначительное изменение порождает изрядную путаницу. Следя за дальнейшими нашими рассуждениями, помните, что обращенный к северу полюс магнита - это не то же самое, что Северный полюс Земли. Обращенный к северу конец магнита - это тот конец, который, если ему позволить свободно поворачиваться, стремится указывать приблизительно на север. А Северный полюс Земли - это географическая точка на Земле, где проходит воображаемая ось, вокруг которой вращается Земля.

Спутать «обращенный к северу» полюс магнита с «Северным полюсом» Земли то же самое, что назвать охотничью собаку птицей - по той лишь причине, что собака указывает, где прячется птица. Поэтому в дальнейшем помните, что выражения «обращенный к северу» и «обращенный к югу» и слова «север» и «юг» относятся к совершенно разным понятиям.

Стрелка компаса - это магнит, а вращается она свободно потому, что лежит на острие. Магнит в тарелке легко поворачивается из-за того, что плавает в воде. В обоих случаях мы имеем дело с магнитами, которые могут свободно поворачиваться. И вот оба таких магнита устанавливаются в одном и том же определенном направлении: приблизительно на север.

Мы говорим «приблизительно», ибо обращенный к северу конец компасной стрелки не указывает точно на географический Северный полюс, находящийся в центре Арктики. Он указывает в сторону определенной точки в Северной Канаде, которая является одним из двух магнитных полюсов Земли. (Другой магнитный полюс Земли - в Антарктике - притягивает к себе обращенный к югу конец компасной стрелки.)

И сразу же возникает вопрос. С какой стати стрелка обязана указывать именно в определенную точку Северной Канады? Почему бы ей не указывать прямо на восток, или прямо на запад, или на Северный полюс, на Нью-Йорк или же Владивосток? Какая сила поворачивает ее в сторону Северной Канады?

Вам, быть может, известно, что у всякого магнита есть обычно два полюса, то есть два места, где магнетизм проявляется сильнее всего. У большинства магнитов, выполненных в виде бруска или полоски, магнитные полюса находятся на концах, хотя можно изготовить и такие магниты, у которых полюса будут располагаться и в других местах.

Если взять два магнита и поднести их близко друг к другу обращенными к северу концами, то можно почувствовать какую-то силу, которая стремится оттолкнуть магниты в стороны. Та же картина наблюдается и с обращенными к югу полюсами. Следовательно, одинаковые полюса отталкиваются.

Если же держать обращенный к северу конец одного магнита вблизи обращенного к югу конца другого магнита, то можно явственно почувствовать, что оба магнита тянутся

Рис. 18. Магнитные силы.

друг к другу: обращенный к северу полюс всегда притягивает к себе полюс, обращенный к югу, и наоборот. Итак, разные полюса притягиваются.

Земля - это огромный магнит. Она имеет собственные магнитные полюса - один в Северной Канаде (точнее, под ее поверхностью), другой в Антарктике. Эти магнитные полюса обладают огромной мощностью: они создают такую большую магнитную силу, что ее действие ощущается во всех уголках планеты. Если дать магниту свободно вращаться, например положить его в плавающую тарелку или надеть на острие, то один из его магнитных полюсов повернется в сторону Северной Канады, а другой конец после поворота будет показывать в сторону Антарктики.

Вы, верно, уже уловили, что с названиями здесь что-то не в порядке. Разве обращенный к северу конец магнита - не южный его полюс? Ведь он притягивается к Северному полюсу Земли! И разве обращенный к югу конец магнита - не северный его полюс? Ведь он притягивается к Южному полюсу Земли! Изрядная путаница, не правда ли? Откуда только она возникла?!

Лет пятьсот - шестьсот назад, когда люди впервые начали применять компас, они придумали названия для концов компасной стрелки. Названия эти казались им совер­шенно естественными: тот конец, который всегда указы­вал туда, где, по их мнению, был Северный (географичес­кий) полюс, они и назвали северным, а другой конец получил название южного полюса. Как мы уже видели, такой выбор названий ни в коем случае удачным не назовешь.

Однако мы-все еще не решили нашу первую загадку. Почему же все-таки северный конец магнитной стрелки (тот, что окрашен в голубой цвет) поворачивается к ванне, если поднести компас к верхней ее части? И почему южный (белый) конец поворачивается к ванне, если держать компас внизу?

О чем говорит тот факт, что северный конец компасной стрелки поворачивается к верхней части ванны? По-видимому,

верхняя часть ванны представляет собой южный полюс и потому притягивает к себе противоположный, то есть северный, конец магнита. Дно ванны притягивает к себе южный конец стрелки, значит, там должен быть северный полюс.

Магнит в плавающей тарелке и надетая на острие стрелка компаса не совсем свободны. Они могут свободно поворачиваться по кругу на одном и том же уровне, но лишены возможности показывать вверх или вниз. Если установить стрелку компаса в направлении север - юг и сделать так, чтобы ее концы могли двигаться вверх и вниз, как видно на рисунке, то нетрудно заметить любопытную деталь: се­верный конец магнитной стрелки, которая может двигать­ся вертикально, опускается и притом довольно заметно - примерно на 60-70 градусов. Он ведет себя так, словно его притягивает магнитный полюс, расположенный глубо­ко под поверхностью Канады, а совсем не на ее поверх­ности.

Железо, из которого сделана ванна, - это магнитное вещество, так как крохотные зерна, из которых оно состоит,

сами по себе являются маленькими магнитиками со свои­ми собственными северными и южными полюсами. И эти зерна-магнитики могут поворачиваться как угодно - и го­ризонтально, и вертикально.

Земное магнитное притяжение заставляет зерна железа постепенно поворачиваться, пока они не установятся свои­ми обращенными на север концами под углом 60-70 гра­дусов к Земле. Эти «обращенные к северу» концы множе­ства мельчайших зерен, повернутые в сторону дна ванны, в целом образуют своего рода большой северный полюс в нижней части ванны. Одновременно южные полюса мельчайших ­магнитных зерен железа «выстраиваются» наис­кось кверху, создавая южный полюс в верхней части ванны.

Этим и объясняется загадка ванны-магнита. А что мож­но сказать о железных радиаторах: у них тоже северные полюса внизу, а южные вверху? Разумеется. Любой непо­движный железный предмет очень быстро намагничивается землей и притом таким образом, что внизу у него появляет­ся северный полюс, а вверху - южный. Даже у зонтика со стальной ручкой, если дать ему возможность немного по­стоять, появляются такие магнитные полюса. При желании убедитесь в этом сами. Кстати, заодно можно исследовать и другие железные предметы: шкатулку для иголок и ниток, холодильник, кухонную плиту, стиральную машину, сталь­ную дверцу печки. Интересно, что у вас получится?

Недавно было сделано интереснейшее открытие, кото­рое имеет прямое отношение к нашему рассказу. Оказа­лось, что у некоторых скал имеются слабые магнитные по­люса, которые образовались много миллионов лет назад, когда скалы были извергнуты из Земли в виде расплавлен­ной лавы, а потом остывали и затвердевали. Но среди этих скал есть и такие, у которых «северные» магнитные полю­са на самом деле указывают на юг. Это противоречит тому, чего следовало бы ожидать на основании наших магнитных наблюдений.

Какой же вывод необходимо отсюда сделать? Одно из возможных объяснений заключается в том, что некогда, в далеком прошлом, магнитные полюса Земли менялись мес­тами. Полагают, что это могло происходить не один, а не­сколько раз, возможно, даже много раз. В связи с этим у ученых возникает множество вопросов относительно строения Земли, на которые они и по сей день не нашли однозначных ответов.

Задачи

1. Предположим, некий школьник, живущий в городе Кито (столица Эквадора), что на самом экваторе, прочи­тал нашу книгу и захотел проверить, намагничена ли и его ванна северным полюсом внизу и южным вверху. Что он обнаружит?

2. Девочка, живущая в Аргентине, в городе, располо­женном на 55 градусов южнее экватора, переписывается с юным жителем города Кито. Тот сообщил ей о резуль­татах своих исследований, и она решила проверить магне­тизм своей ванны. Что она обнаружит?

Самостоятельные исследования

1. Догадайтесь, как сделать кончик иголки северным или южным полюсом магнита.

2. Сумеете ли вы сделать магнит с тремя магнитными полюсами?

Материал к занятию « Магнит и немагнит»

Из чего сделана ванна? Вы когда-нибудь задумывались над этим? А ведь это же такой простой, естественный вопрос! Ответить на него очень просто. Магнит - вот ключ к разгадке. Любой магнит немедленно даст ответ.

Наверно, многие из вас знают, что предметы, которые притягиваются к магниту, как правило, состоят в основном из железа. Среди знакомых каждому железных, притягивающихся к магниту предметов - скрепки для бумаг и канцелярские кнопки, гвозди и болты, гайки и металлические части инструментов, вроде молотка, клещей и отвертки. Если какой-нибудь из этих предметов не притягивается к магниту, значит, он, скорее всего, сделан не из железа, а из другого вещества.

Существует еще только один распространенный в природе металл, который в чистом виде притягивается к магниту, - никель. Однако никель часто смешан с другими металлами и тогда он образует сплав, который к магниту не притягивается.

Такие металлы, как алюминий, медь, латунь и свинец, магниты почти не притягивают. Не притягивают они и предметы, сделанные из пластмассы, бумаги, дерева, ткани, резины, стекла и других материалов.

Если железный предмет покрыть краской, эмалью или чем-нибудь подобным, он все равно будет притягиваться к магниту, так как эти покрытия не влияют на магнетизм. И если даже предмет, сделанный из железа, внешне совершенно не похож на железный, все равно мы можем распознать железо с помощью магнита, несмотря на внешнее покрытие.

Если приблизить магнит к стенке ванны, то сразу обнаруживается, что ванна его притягивает. Следовательно, ванна в основном сделана либо из железа, либо из чистого никеля. Но чистый никель намного дороже железа, поэтому вряд ли из него будут делать ванны. А раз так, значит, мы можем смело допустить, что ванна сделана именно из железа.

А из чего сделана раковина в ванной комнате? Почему бы вам не выяснить это?

Зачем железную ванну покрывают сверху эмалью? Поскольку саму ванну не так-то легко исследовать, заменим ее в нашем опыте железной иголкой.

Нальем воду в пластмассовую тарелку или пузырек, бросим в воду иголку и поставим посуду в сторонку. Пройдет день-другой, и мы обнаружим, что иголка заржавела. Если покачать пузырек, в воде могут появиться небольшие коричневые хлопья ржавчины, и вода станет коричневой. Кто не верит на слово, пусть сам попробует проделать этот опыт.

Будем ежедневно менять ржавую воду и наливать вместо нее свежую. Ну, как, продолжает иголка ржаветь? Что стало с ней через неделю? Через месяц? Через год?

Иголка ржавеет оттого, что железо соединяется с газом (кислородом), который попадает в воду из воздуха. При этом железо превращается в другое вещество, называемое окисью железа. Оказывается, вода ускоряет такое превращение, поэтому стоит хоть немного увлажнить железо, как оно быстро начинает ржаветь.

Все ли металлы ржавеют? Кому не нравится гадать вслепую, пусть попробует выяснить это самостоятельно. Только вместо обыкновенной иголки исследуйте поочередно: анодированную заколку, медную монету, никелированный шар от старой кровати, серебряную монету, алюминиевую фольгу, какой-нибудь латунный предмет (сделанный из сплава цинка и меди), свинцовое грузило.

Что сталось бы с ванной, если бы она была сделана из чистого железа? Нетрудно сообразить, что такая ванна быстро заржавеет, как только в нее станут лить воду. Каким же образом избежать ржавчины? Любое покрытие, которое мешает кислороду и воде соединиться с железом, предотвратит появление ржавчины. Для этого вполне подошла бы краска, но краска легко стирается и к тому же при длительном соприкосновении с водой поддается ее действию. Можно покрыть железо нержавеющим металлом и тем самым «спрятать» его от воды. Например, анодированное железо - это железо, покрытое нержавеющим цинком. Такое железо можно было бы использовать для ванны, но пройдет время, в покрытии появится царапина, достаточно глубокая, чтобы открылось железо, и в этом месте оно начнет ржаветь. Можно сделать ванну из металлов, не поддающихся ржавчине, например из латуни или меди. Но они намного дороже железа.

В большинстве ванн, которыми мы пользуемся, железо защищено стекловидным покрытием. На заводе ванну покрывают пастой, которая содержит глину и специальный камень, измельченный в порошок. Потом ванну «прожаривают» до белого каления, пока паста не превратится в похожий на стекло фаянс. Такое покрытие будет твердым и гладким, его трудно поцарапать, оно долго держится и не дает железу ржаветь.

Несколько опытов по магнетизму.

1. Полет самолета. Из бумаги вырежьте самолет длиной 5 см. Вдоль него в бумагу вставьте иголку. Перед классом на стойке повесьте карту. С обратной стороны карты отметьте главные города.

Перед опытом незаметно для учащихся за карту входит один из ассистентов ведущего с подковообразным магнитом.

Ведущий говорит, что самолет может перемещаться по карте из одного города в другой. Допустим, он будет на одном из аэродромов Москвы. С последними словами ведущий подносит самолет к Москве и отпускает его. Самолет удерживается на карте подковообразным магнитом.

Ученики называют города, и самолет «перелетает» в указанные на карте места.

Этот занимательный опыт увлекает присутствующих. В конце вечера, когда они узнают суть физического опыта, им хочется еще раз проделать его.

2. На дно колбы (бутылки), заполненной водой, упала стальная булавка. Как вынуть ее, не опрокидывая колбы и не опуская внутрь ее каких-либо предметов?

3. Легкую иголку подвесьте на короткой тонкой нити вблизи магнита так, чтобы она притягивалась к магниту, не касаясь его, и висела в воздухе. Поднесите к иголке горящую спичку. Иголка падает. Остыв, она вновь притягивается к магниту. Объясните это явление.

4. Подковообразный магнит положите на край стола. Возьмите тонкую иглу с ниткой и положите на один из полюсов магнита. Затем осторожно тяните иглу за нить до тех пор, пока игла не соскочит с полюса. При этом наблюдается интересное явление: игла висит в воздухе (рис. 107).

В зазор между иглой и полюсом магнита в 4-5 мм внесите лист бумаги, фанерную дощечку, пластинку из латуни. В каждом случае игла остается висеть в воздухе. Но стоит внести в зазор пластинку из железа и замкнуть полюсы магнита, как игла падает. Почему?

Если пластинку из железа вносить сбоку, не касаясь полюсов магнита, то игла отталкивается от ближайшего конца пластинки, оставаясь висеть в воздухе. Объясните это явление.

5. Подковообразный магнит своими полюсами удерживает железные предметы. Поднесите сверху второй такой же магнит Почему железные предметы отпадают?

6. К подковообразному магниту поднесите якорь с крючком. На крючок подвесьте максимальный груз, который может удержать магнит. Железной пластинкой замкните полюсы магнита выше якоря. Груз с якорем падает. Почему?

7. Подвесьте на нитях несколько иголок и подносите к полюсу магнита. Обратите внимание, что концы иголок около полюса расходятся. Почему? (Опыт следует повторить не один раз.)

Материалы к итоговому занятию «Удивительная физика»

На занятии проводят эксперименты по изученным вопросам. Необходимо дать объяснения наблюдаемым явлениям.

1. Сухим из воды

Положите монету на большую плоскую тарелку, налейте столько воды, чтобы она покрыла монету, и предложите гостям взять ее прямо руками, не 'замочив пальцев.

Эта, казалось бы, невозможная задача довольна просто решается с помощью стакана и горящей бумажки. Зажгите-бумажку, положите ее горящей внутрь стакана и быстро

поставьте стакан на тарелку близ монеты дном вверх. Бумажка погаснет, стакан наполнится белым дымом, а затем под ним сама собой соберется вся вода с тарелки. Монета же, конечно, останется на месте, и через минуту, когда она обсохнет, вы сможете взять ее, не замочив пальцев.

Какая сила вогнала воду в стакан и поддерживает ее на определенной высоте? Атмосферное давление. Горящая бумажка нагрела в стакане воздух, давление его от этого возросло, и часть газа вышла наружу. Когда бумажка погасла, воздух снова остыл, но при охлаждении его давление уменьшилось, и под стакан вошла вода, вгоняемая туда давлением наружного воздуха.

Вместо бумажки можно пользоваться спичками, воткнутыми в пробку, как показано на рисунке.

Весьма нередко приходится слышать и даже читать неверное объяснение этого старинного опыта . А именно, говорят, что при этом «сгорает кислород» и потому количество газа под стаканом уменьшается. Такое объяснение грубо ошибочно. Главная причина только в нагревании воздуха, а вовсе не в поглощении части кислорода горящей бумажкой. Это следует, во-первых, из того, что можно обойтись и без горящей бумажки, а просто нагреть стакан, сполоснув его кипятком. Во-вторых, если вместо бумажки взять смоченную спиртом вату, которая горит дольше и сильнее нагревает воздух, то вода поднимается чуть не до половины стакана; между тем известно, что кислород составляет только 1/5 всего объема воздуха. Наконец, нужно иметь в виду, что вместо «сгоревшего» кислорода образуется углекислый газ и водяной пар; первый, правда, растворяется в воде, но нар остается, занимая отчасти место кислорода.

2. « Тяжелая газета»

Положите на стол линейку длиной 50-70 см так, чтобы конец ее в 10 см свешивался. На линейку положите полностью развернутую газету (рис.39). Если медленно оказывать давление на свешивающийся конец линейки, то он опускается, а противоположный поднимается вместе с газетой. Если же резко ударить по концу линейки молотком, то она ломается, причем противоположный конец с газетой почти не поднимается. Как объяснить наблюдаемое явление?

Примечание. Газета должна плотно прилегать к столу.

3. Лед, не тающий в кипятке

Возьмите пробирку, наполните водой, погрузите в нее кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх (лед легче воды), придавите его грузиком; при этом, однако, вода должна иметь свободный доступ ко льду. Теперь приблизьте пробирку к спиртовке так, чтобы пламя лизало лишь верхнюю часть пробирки.

Вскоре вода начинает кипеть, выделяя клубы пара. Но странная вещь: лед на дне пробирки не тает! Мы имеем перед собой словно маленькое чудо: лед, не тающий в кипящей воде...

Разгадка кроется в том, что на дно пробирки вода вовсе не кипит, а остается холодной; она кипит только вверху. У нас не «лед в кипятке», а «лед под кипятком». Расширяясь от тепла, вода становится легче и не опускается на дно, а остается в верхней части пробирки. Перемешивание слоев воды будет происходить лишь в верхней части пробирки и не захватит нижних, более плотных слоев. Нагревание может передаваться вниз лишь путем теплопроводности, но теплопроводность воды и стекла чрезвычайно мала.

3. Таинственная вертушка

Из тонкой папиросной бумаги вырежьте прямоугольничек. Перегните его по средним линиям и снова расправьте: вы будете знать, где центр тяжести такой фигуры. Положите теперь бумажку на острие торчащей иглы так, чтобы игла подпирала ее как раз в этой точке.

Бумажка останется в равновесии: она подперта в центре тяжести. Но от малейшего дуновения она начнет вращаться на острие.

Пока приборчик не обнаруживает ничего таинственного. Но приблизьте к нему руку, как показано на рисунке.

Приближайте осторожно, чтобы бумажка не была сметена током воздуха. Вы увидите странную вещь: бумажка начнет вращаться, сначала медленно, потом все быстрее. Отодвиньте руку - вращение прекратится. Приблизьте - опять начнется.

Это загадочное вращение одно время - в семидесятых годах прошлого века - давало многим повод думать, что тело наше обладает какими-то сверхъестественными свойствами. Любители мистического находили в этом опыте подтверждение своим туманным учениям об исходящей из человеческого тела таинственной силе. Между тем причина вполне естественна и очень проста: воздух, нагретый снизу вашей рукой, поднимается вверх и, напирая на бумажку, заставляет ее вращаться, подобно всем известной спиральной «змейке» над лампой, потому что, перегибая бумажку, вы придали ее частям легкий уклон.

Внимательный наблюдатель может заметить, что описанная вертушка вращается в определенном направлении - от запястья, вдоль ладони, к пальцам. Это можно объяснить разницей температур названных частей руки: концы пальцев всегда холоднее, нежели ладонь; поэтому близ ладони образуется более сильный восходящий поток воздуха, который напирает на бумажку сильнее, чем поток, порождаемый теплотой пальцев.

4. Два физических фокуса.

Вы берете стеклянную трубку с оттянутым, как у пипетки, концом и показываете ее своим зрителям. Другой рукой берете за верхний край стакан с водой, нагретой до температуры 80-90°С, и тоже показываете его. Опускаете трубку оттянутым концом в стакан и ждете, пока в нее не войдет вода. Затем вы закрываете пальцем верхнее отверстие трубки и вынимаете ее из стакана. При этом зрители обнаруживают, что у нижнего отверстия трубки образуются воздушные пузырьки. Они растут, отрываются от стенок и поднимаются внутри трубки вверх. А вода из трубки не выливается!

Затем, открыв верхнее отверстие трубки, вы выливаете воду обратно в стакан, несколько раз плавно машете перед собой пустой трубкой и вновь набираете воду из стакана в трубку. Закрыв верхнее отверстие трубки пальцем, вы быстро вынимаете ее из стакана и переворачиваете - из трубки бьет мощный фонтан на высоту более метра.

Почти наверняка секрет этих фокусов не будет раскрыт. А он очень прост: в стакане находится вода, нагретая до 80-90°С, тогда как трубка имеет комнатную температуру около 20°С. Когда в трубку из стакана попадает горячая вода воздух в верхней части трубки (в силу его плохой теплопроводности) имеет практически комнатную температуру. После того как вы закроете пальцем верхнее отверстие трубки и трубку перевернете, горячая вода по стенка начнет стекать вниз, быстро нагревая воздух. Давление воздуха в трубке возрастает, и расширяющийся воздух «выбрасывает» через узкое отверстие трубки не успевшую опуститься вниз воду в виде фонтана. В опыте рекомендуем использовать стеклянную трубку диаметром 8-12 мм и длиной 30-40 см, маленькое отверстие которой имеет диаметр около 1 мм. В промежутке между фокусами трубку надо как следует охладить (можно даже подуть в трубку), так как высота фонтана зависит от разности температур воздуха и воды, набранной в трубку. Оптимальное количество набираемой в трубку воды колеблется в пределах от ¼ до 1/3 объема трубки и легко подбирается экспериментально.