Текст книги "Космос у тебя дома"

Автор книги: Флорентий Рабиза

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 11 страниц)

Отражение и поглощение теплоты

Тепловые и световые лучи лучше всего отражает зеркальная поверхность. Несколько хуже, но тоже довольно хорошо отражают лучи белые и вообще светлые поверхности. Поэтому летом, особенно на юге, где много солнца, люди предпочитают ходить в светлой одежде. Темная одежда, даже если она сшита из легкой ткани, сильнее поглощает тепловые лучи и в ней значительно жарче.

Заметьте, что весной снег, покрытый пылью и копотью, тает гораздо быстрее, чем чистый снег на полях.

Проделайте такой опыт. Склейте из листа плотной бумаги цилиндр диаметром 5–6 сантиметров и закрасьте черной тушью изнутри площадку величиной примерно со спичечную коробку. Это может быть пятно неправильной формы. Прикрепите расплавленным стеарином к цилиндру с наружной стороны на одном уровне две десятикопеечных монеты. Одну монету прикрепите в середине того места, которое изнутри закрашено тушью, а вторую с противоположной стороны цилиндра. Наденьте цилиндр на горящую свечу. Ее пламя должно быть в центре цилиндра и против прилепленных снаружи цилиндра монет.

Чтобы удобно было поставить бумажный цилиндр на свечу, укрепите на свече картонный кружок с несколькими отверстиями для вентиляции. Кружок должен надеваться на свечу плотно, чтобы он не сдвигался вниз под тяжестью цилиндра.

Сколько бы вы ни повторяли этот опыт, всегда первой будет отваливаться монета, прилепленная к тому участку цилиндра, который изнутри закрашен черной тушью. Черная поверхность бумаги сильнее поглощает тепловые лучи, а поэтому и быстрее нагревается.

Несколько опытов с превращениями энергии

Вам известно, что энергия выражается той работой, которую кто-то или что-то (например, машина) может выполнить.

Про пружину, которая не заведена, можно сказать, что она никакой энергией не обладает, и поэтому часы, в которых она находится, стоят. Но стоит только завести пружину, и колесики у часов начинают вращаться, стрелки пошли в свой путь по циферблату. Работать пружина будет до тех пор, пока не истощится запас ее энергии, пока не потребуется снова пополнить этот запас – завести ее.

Энергия существует вечно, никуда не пропадает и только переходит из одного вида в другой. Когда остановились часы – это не значит, что энергия пружины исчезла бесследно. Она не пропала, а постепенно перешла в механическую энергию колес часового механизма. Механическая же энергия перешла в тепловую. Конечно, тепловая энергия здесь очень небольшая, она пошла на нагревание воздуха. И если мы ее не уловили, то совсем не значит, что ее нет.

Проделаем несколько опытов с превращениями некоторых видов энергии.

На длинную и узкую полоску картона наклейте две полоски толстой бумаги с маленьким зазором между ними. Согните картонную полоску и поместите ее между двумя толстыми книгами. Пустите по желобку на полоске маленький металлический шарик. Он разовьет, катясь, большую скорость и, совершив несколько колебаний вверх и вниз, наконец остановится. В начале опыта шарик обладал потенциальной энергией. Когда же вы его отпустили, потенциальная энергия перешла в энергию движения по дугообразному желобу.

Во время движения энергия шарика пошла на преодоление силы трения о поверхность желоба и о воздух, а от трения возникла теплота.

Стальная линейка, если ее согнуть, приобретает запас механической энергии – способность совершить механическую работу. При быстром выпрямлении она может перебросить, например, резинку в другой конец комнаты.

Когда вы накачиваете велосипедную камеру, насос сильно нагревается. Механическая энергия при сжатии воздуха в насосе перешла в очень заметную на этот раз тепловую энергию.

Вы каждый день можете наблюдать превращение энергии. Химическая энергия топлива превращается в тепловую, тепловая в механическую. Это происходит и в автомобиле, и в тепловозе, и в самолете. Такое же превращение энергии происходит и при взлете космического корабля, в первые минуты его старта, когда работают его двигатели.

А вот еще один интересный опыт превращения механической энергии в световую.

Возьмите кусок пиленого сахара (не прессованного, так называемого легкорастворимого) и щипчики, которыми колют сахар. Опыт проводится в полной темноте, когда глаза уже к ней привыкли. Вы колете щипчиками сахар и наблюдаете, что при этом происходит. В момент, когда щипчики раскалывают сахар, в месте раскола вспыхивает голубоватый огонек. Это вспышка холодного света. Холодное свечение возникает при разломе кристаллов и носит замысловатое название – триболюминесценция.

Превращение света в электричество

Мы привыкли легко превращать электричество в свет. Для этого нужно только повернуть выключатель. Но существует явление, когда свет превращается в электричество. Это явление называется фотоэффектом. Оно было исследовано и изучено выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым в конце прошлого века. Он установил, что если осветить цинковую пластинку ярким светом электрической дуги, тогда в той цепи, в которой эта пластинка находится, появится электрический ток. На этом открытии основано применение фотоэффекта в наши дни. Он широко применяется и в промышленности и в повседневной жизни. Звуковое кино, телевидение не могли бы существовать без применения фотоэффекта.

Но фотоэффект – это не только усиление электрического тока при освещении некоторых металлов, находящихся в электрической цепи. Фотоэффект может проявляться и по-другому.

В некоторых полупроводниках, когда они освещены, возникает электрический ток, которого раньше в них не было. Световая энергия в них превращается в энергию электрическую.

Одно из применений этого явления – использование его в фотоэкспонометре для определения экспозиции при фотосъемках.

Вы можете наблюдать, держа в руках фотоэкспонометр, как отклоняется его стрелка, когда он направлен на освещенные предметы.

Солнечные батареи на космических кораблях, спутниках, луноходах, орбитальных станциях обеспечивают нужное питание электрической энергией. Вы их часто видели на снимках и рисунках. Обычно это несколько панелей, на которых смонтированы полупроводниковые элементы. Солнечный свет, падая на эти элементы, превращается в них в электрический ток.

Космический опыт Жюля Верна

Герои известного романа Жюля Верна «Гектор Сервадак» попали на астероид. Они назвали его Галлией.

Астероид мчался в космическом пространстве, все дальше и дальше удаляясь от Земли. На нем находилось несколько человек.

Приведем один эпизод из жизни этих колонистов.

«Этот же день был примечателен переходом одной из стихий Галлии в новое физическое состояние; на сей раз способствовали этому сами колонисты.

После их окончательного переселения с острова Гурби на Теплую Землю им было необходимо ускорить замерзание Галлийского моря. Путь по льду облегчал сообщение с островом, выиграли бы от этого и охотники, получив более обширное поле деятельности.

Итак, в этот день капитан Сервадак, граф Тимашев и лейтенант Прокофьев собрали все население на высокой прибрежной скале, которою заканчивался мыс.

Вода в море не застывала, хотя была довольно низкая температура. Это объяснялось ее полной неподвижностью: морскую поверхность не волновало ни малейшее дуновение. Как известно, в этих условиях вода не превращается в лед даже при температуре на несколько градусов ниже нуля, но простого сотрясения достаточно для того, чтобы она мгновенно замерзла.

В назначенный час явилась также и маленькая Нина со своим юным другом Пабло.

– Поди сюда, моя голубка, – подозвал ее капитан Сервадак, – и скажи нам, сумеешь ли ты бросить в море кусок льда?

– Конечно, – ответила девочка, – но только мой друг Пабло бросил бы ледышку куда дальше!

– А ты все-таки попробуй!

И Гектор Сервадак вложил кусочек льда в детскую ручонку, сказав:

– Смотри во все глаза, Пабло! Увидишь, какая волшебница наша Нина!

Нина размахнулась, и льдинка полетела в водную гладь…

И тут же раздался оглушительный скрежет и треск, подхваченный где-то далеко, за пределами горизонта: вся вода на поверхности Галлийского моря мгновенно превратилась в лед!»

Здесь фантастичны только масштабы, но суть явления реальна, научно обоснована.

Кристаллические вещества плавятся и затвердевают при одной и той же температуре, постоянной для данного вещества (при условии постоянного давления).

Лед, например, тает при 0°.

Для того чтобы лед растаял, нужно, нагрев его до 0°, продолжать добавлять тепло. Это дополнительное тепло идет на разрывание связей между молекулами, образующими кристаллы льда. Но температура в процессе таяния будет сохраняться постоянная, равная 0°.

В лед вода превращается при той же температуре 0°, и эта температура не изменяется, пока данное количество воды не замерзнет.

Но вода, как и другие жидкости, принимающие при затвердевании кристаллическую структуру, обладает интересным свойством – ее можно переохлаждать, то есть доводить до температуры значительно ниже нуля. При этом вода не должна подвергаться сотрясениям.

Мы с вами проделаем опыт, описанный Жюлем Верном, но не с водой, а с более удобным для опыта веществом, да и масштабы будут скромнее. Мы поставим опыт с гипосульфитом – кристаллическим веществом, которое применяется в фотографии в качестве закрепителя. Когда будете покупать гипосульфит, обратите внимание, чтобы у него были крупные кристаллы и чтобы он был сухой.

Наполните стеклянный пузырек кристаллами гипосульфита. Затем поставьте его в кастрюлю с теплой водой и начните ее подогревать. Нужно добиться, чтобы весь гипосульфит расплавился, превратившись в прозрачную жидкость. Для этого наклоняйте пузырек из стороны в сторону, но так, чтобы вода не попала в него.

Сделайте из бумаги пробку и пропустите через нее стеклянную трубку от пипетки. Когда вы заткнете пузырек, узкий конец трубки должен входить в расплавленный гипосульфит. Наружный конец трубки заткните ваткой, чтобы в него ничего не попало. Пузырек поставьте в такое место, где он будет предохранен от сотрясений.

Через некоторое время, примерно через 2–3 часа, пузырек остынет до комнатной температуры.

Осторожно снимите ватку и бросьте в трубку кристаллик гипосульфита. Он должен быть такого размера, чтобы мог застрять в узком конце трубки.

На ваших глазах от конца трубки начнется стремительная кристаллизация всего содержимого пузырька. Гипосульфит мгновенно затвердеет – превратится в кристаллы.

Но самое любопытное, что пузырек, который несколько минут назад был холодным, теперь стал горячим. Вы знаете, что плавление и затвердевание кристаллических веществ всегда происходит при одинаковой температуре. Вот и теперь тепловая энергия выделилась в результате быстрой перестройки молекул гипосульфита, переходящего из жидкого состояния в твердое.

ОПЫТЫ С ЗАКОНАМИ ДВИЖЕНИЯ

Инерция вокруг нас

Часто мы слышим и употребляем слово инерция. Его произносят даже те, кто еще не знает или уже забыл первый закон движения Ньютона.

Слово «инерция» – латинское слово. Означает оно недеятельность, лень, косность. О ленивом, малоподвижном человеке говорят: «Он очень инертный». Это прямое значение слова «инерция».

В физике же оно применяется, когда хотят объяснить определенное свойство тела, когда хотят сказать, что тело, будь то брошенный камень или катящийся по рельсам вагон, движется само по себе, даже тогда, когда на него движущая сила уже перестала действовать.

И наоборот, если тело неподвижно, оно с места не сдвинется, и чтобы сдвинуть его, нужно применить определенную силу.

Итак, каждое тело обладает свойством сохранять то состояние, в котором оно находится, сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения, если никакая сила не заставит его остановиться или не отклонит в сторону.

А вот бытовые примеры, иллюстрирующие явление инерции.

Когда после домашней уборки вы вытряхиваете во дворе пыльную тряпку, обратите внимание, как из нее вылетает пыль.

Пыль стремительно вылетает из тряпки, когда вы бьете эту тряпку о что-нибудь, например о столб. При ударе тряпка резко останавливается, и пыль по инерции вылетает из нее.

Когда вы выливаете воду из стакана, вы совершаете быстрое движение рукой и внезапно останавливаете руку.

Вода по инерции движется дальше, выплескиваясь из стакана.

Когда вам нужно подготовить медицинский термометр для измерения температуры, его приходится несколько раз сильно встряхнуть. Тогда столбик ртути по инерции опустится вниз – в резервуар.

Наблюдая все, что происходит вокруг, вы можете сами привести еще много случаев инерции. Например, когда вы едете в трамвае, автобусе, троллейбусе и происходит внезапная, резкая остановка, вы испытываете толчок, как будто какая-то невидимая сила толкнула резко вас вперед.

Инерция широко используется и в промышленности и на транспорте. Перед тем как затормозить автомашину, обычно сначала отключают двигатель, и машина некоторое время движется по инерции. А когда большое судно подходит к пристани, винты уже не работают, и оно медленно движется по инерции, пока не встанет на свое место.

Иногда с инерцией приходится и бороться. Например, самолет, совершая посадку, хотя и летит по инерции, но скорость у него еще очень большая и ее приходится гасить специальными тормозными приспособлениями.

При возвращении космонавтов на Землю тоже приходится гасить скорость, прежде чем раскроется парашют.

Опыт движения «вверх ногами»

П. Н. Нестеров был выдающимся русским военным летчиком, основоположником высшего пилотажа. В 1913 году он впервые в мире выполнил на аэроплане фигуру, названную впоследствии его именем – «петля Нестерова». Аэроплан разгонялся, пикировал, затем с помощью руля круто поворачивался вверх носом, переворачивался на «спину», носом вниз, в результате чего получался замкнутый круг в вертикальной плоскости. Инерция играла большую роль в этом маневре.

В давние времена большим успехом у публики пользовался аттракцион с велосипедистом, который часть своего пути совершал колесами вверх. Дорожка, по которой исполнитель этого трюка мчался на большой скорости, съехав с большой высоты, образовывала петлю в вертикальной плоскости. В этой петле велосипедист описывал спираль. В верхней ее части он ехал вверх колесами, а затем благополучно съезжал вниз, вызывая вздох облегчения у публики.

Описанный номер очень напоминает петлю Нестерова.

Для успеха этого номера его исполнитель должен был обеспечить своему велосипеду большую скорость, а это можно было сделать, съезжая с определенной высоты. Отправная точка находилась значительно выше верхней точки петли. Движение велосипедиста в расположенном вертикально кольце похоже на вращение камня на веревке. Ведь камень, натягивая веревку, находясь в верхней точке описываемого круга, не срывается с нее. Также и велосипедист при большой скорости прижимается к своей кольцевой дорожке и не падает, когда едет по ней по инерции вверх колесами.

В нашем домашнем опыте не будет ни пилота, ни велосипедиста, их роль будет скромно выполнять стальной шарик (от шарикового подшипника).

Дорожку с вертикальной петлей нужно изготовить, исходя из размеров шарика, который у вас есть. Предположим, у вас есть стальной шарик диаметром 9 миллиметров. Возьмите плотную рисовальную бумагу или тонкий картон, вырежьте из нее полосу шириной 2,5 сантиметра и длиной 120 сантиметров (если такой длинной бумаги нет, можно склеить полосу из двух, трех кусков).

У бумажной полосы по всей ее длине загните бортики высотой 7 миллиметров. У вас получился длинный желоб. Теперь на одном из его концов сделайте петлю диаметром 8 сантиметров. Для того чтобы можно было согнуть петлю, от конца желоба на протяжении примерно 26 сантиметров в бортиках сделайте ножницами прорези через каждые 3–4 миллиметра. Когда вы согнете эту часть желоба, образовав правильную окружность, нужно, разведя немного (на ширину желоба) друг от друга концы петли, приклеить их к кусочку картона, чтобы они не расходились.

Теперь смонтируйте модель. Если вы приложите старание, то можно сделать красивую конструкцию и отнести ее в школьный физический кабинет как наглядное пособие.

Установите вертикально бумажную петлю. Конец девяностосантиметрового желоба закрепите на высоте (считая от основания петли) 40 сантиметров. Круто и плавно спускаясь, желоб должен тоже плавно переходить в петлю. К другому концу петли, так сказать, к ее выходному концу, приклейте такой же желоб, но длиной 20 сантиметров. На его конце сделайте из бумаги «карман» – ловушку для шарика, чтобы после каждого запуска не искать его по всей комнате.

Проследите, чтобы конструкция была достаточно жесткая, не прогибалась под тяжестью шарика, и чтобы дорога для шарика была плавная, ровная, без зазубрин и шероховатостей.

Когда все будет готово, можно пустить шарик с верхней точки желоба. Покатившись, шарик наберет нужную скорость, обеспечит себя инерцией, пройдет верхнюю точку петли, скатится по ней и закончит свой путь в ловушке.

Проделывая этот опыт, меняйте высоту, с которой запускаете шарик, и наблюдайте его поведение. Проследите, какая высота его запуска будет критической, то есть когда шарик не в состоянии будет пробежать по петле весь путь.

Этот опыт можно усовершенствовать – сделать еще одну петлю меньшего размера, тогда шарик будет пробегать две петли и после этого останавливаться в ловушке.

Лунный опыт

Часто мы употребляем слово масса, но не всегда правильно его истолковываем. Вот как очень образно говорит о массе Ю. А. Селезнев в книге «Основы элементарной физики»:

«К сожалению, неясность и нечеткость введения и использования понятия массы встречается очень часто. Иногда говорят о перетекании определенной массы жидкости из одного сосуда в другой, о подвешенной на нитке или лежащей на столе массе и пр. Подобные выражения не имеют никакого физического смысла и в немалой степени способствуют затуманиванию содержания понятия массы.

Масса тела – это прежде всего его свойство откликаться определенным ускорением на действие определенной силы. Утверждение, что масса тела – мера его инертности, имеет тот же смысл».

И далее: «Если масса – определенное свойство тела, то, как любое другое свойство, она не может „висеть“, „лежать“ или „перетекать“, ее нельзя потрогать или положить в карман. Никому не приходит в голову подвешивать на нитке белизну снега или прозрачность воды, а массу почему-то „подвешивают“!»

Для определения веса пользуются весами пружинными или коромысловыми. Единицей веса служит, как вы знаете, килограмм. Для определения массы тоже пользуются весами, но только коромысловыми весами, на которых сравнивают измеряемую массу с массой эталона в один килограмм.

Давайте совершим воображаемый опыт. Мы прилетели на Луну и привезли с собой пакет с шестью килограммами сахара. Взвешивая пакет с сахаром на Луне на пружинных весах, мы обнаруживаем, что у нас в пакете всего-навсего… один килограмм. Но если мы взвесим наш сахар не на пружинных, а на коромысловых весах, положив на одну чашку пакет с сахаром, а на другую шестикилограммовую гирю, то убедимся, что все в порядке – сахар не исчез. Уменьшился только вес, сахар стал в шесть раз легче, потому что Луна меньше Земли, ее сила притяжения меньше в шесть раз. Что же касается свойства пакета с сахаром откликаться на приложенное к нему ускорение, то есть его массы, то она никуда не исчезла, она точно такая же, как и на Земле.

Вес может уменьшаться, даже может исчезать (когда пакет с сахаром летел в ракете на Луну, он вообще ничего не весил), масса же никогда не исчезает.

Опыт с инертностью

Вы уже, наверное, убедились, какое интересное явление инерция. Все, что в природе материально, обладает свойством инерции.

А теперь проделаем несколько опытов. Проследим за свойством каждого тела реагировать, откликаться определенным ускорением на приложенную к нему силу.

Подвесьте на нитках две одинаковые коробки из картона. Одна коробка пустая, другая наполненная песком или глиной. Привяжите к нижней части каждой коробки по такой же нитке, на каких они висят. Если вы с силой дернете нижнюю нитку, привязанную к пустой коробке, то может оборваться любая из ниток – та, на которой коробка висит, или же та, за которую вы дернули. Инертность пустой картонной коробки невелика, поэтому рывок воспринимается обеими нитками одинаково. Иное произойдет со второй коробкой, заполненной песком или глиной. При резком рывке за нижнюю нитку должна порваться нижняя нитка.

Наполненная песком или глиной, коробка обладает большой инертностью, она не успеет передать усилие рывка верхней нитке, поэтому порвется обязательно нижняя нитка.

Приходилось ли вам насаживать топор на топорище? Это делается так: топорище держат в левой руке, топор слегка насажен на его широкий конец. По другому концу топорища бьют молотком. Стальной топор обладает большей массой, большей инертностью, чем деревянное топорище, поэтому стальной топор слабо реагирует на доходящие до него удары, а топорище менее инертно, и оно при каждом ударе входит на свое место, даже несмотря на сильное трение.

Для следующего опыта нам понадобятся шашки или монеты одинакового размера. Если у вас не шашки, а монеты, то весь столбик, в который они сложены, нужно поставить на большую монету – пятак или рубль. Поверхность, на которую поставлен столбик из шашек или монет, должна быть гладкая. Если в этом опыте использованы шашки, то понадобится деревянная линейка, если монеты, то металлическая. Быстрым, скользящим ударом линейки по нижней шашке (или монете) вы выбиваете ее из-под столбика. Столбик остается на месте – здесь проявилась его инертность. Выскользнувшая из-под столбика шашка или монета «не успела» передать всему столбику сообщенную ей скорость.

Этим опытом забавлялись любители занимательных опытов еще в конце прошлого века. А вот еще один интересный опыт тех же времен. Но для удачного его выполнения нужна предварительная тренировка.

На край гладкого стола положите узкую полоску бумаги (шириной 2–3 сантиметра). Конец полоски должен свешиваться. На ее другой конец, лежащий на столе, поставьте на ребро вдоль полоски юбилейный рубль. Монету надо подобрать с нестертыми краями. Конечно, монета должна стоять ровно, без малейшего наклона. Резким рывком выдерните бумажную полоску из-под монеты. При некотором навыке можно добиться, что монета даже не дрогнет. Монета, как и всякое материальное тело, обладает инертностью, и быстрый рывок не успел сообщить ей ускорение, привести ее в движение. Производя этот опыт, понаблюдайте, как ведет себя монета при разных усилиях, с какими вы выдергиваете бумажную полоску.