Текст книги "Лаборатория юного физика"

Автор книги: Леонид Гальперштейн

Соавторы: Петр Хлебников
сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 7 страниц)

Л. Гальперштейн, П. Хлебников
ЛАБОРАТОРИЯ ЮНОГО ФИЗИКА

Введение

Физика – одна из самых важных наук о природе. Она помогает не только хорошо понять ту природу, которая уже существует, но и создавать «вторую природу» – могучую и разнообразную технику.

Изучение тепловых явлений помогло создать паровую машину, двигатель внутреннего сгорания и реактивный двигатель космической ракеты.

Изучение электрических и магнитных явлений помогло овладеть энергией электричества, создать огромные электростанции, мощные электродвигатели, жаркие электропечи, ослепительные прожекторы, сложнейшие автоматы.

Изучение сложных электрических явлений привело к созданию радио, телевидения, электронно-вычислительных машин.

Изучение свойств световых лучей не только привело к созданию очков, телескопов, микроскопов, фотографии и кинематографии, но даже дало возможность определить, из каких веществ состоят самые отдаленные звезды.

Изучение строения вещества привело к открытию атомной энергии.

Таких примеров можно привести очень много. Все то, что сегодня исследуют в своих лабораториях ученые-физики, завтра выйдет на поля и заводы, загремит по рельсам железных дорог, рванется в просторы Космоса.

Физика – наука очень древняя. Уже наши отдаленные предки наблюдали явления природы и пытались понять, как эти явления происходят. Потом они начали нарочно вызывать различные физические явления, чтобы лучше наблюдать за ними. Физика началась с опытов.

И мы с вами, приступая к изучению физики, обязательно должны будем начать с опытов. А для того чтобы делать опыты, нужны приборы.

Во многих школах есть хорошо оборудованные физические кабинеты. Там хранятся сотни приборов для постановки различных опытов. Эти приборы изготовлены на специальных фабриках.

Но даже самый простой самодельный прибор даст вам больше знаний, чем готовый фабричный. Изготовляя прибор своими руками, налаживая его, устраняя ошибки и неисправности, вы гораздо лучше вникнете в его устройство, поймете, как и почему он работает. Поэтому каждый, кто хочет действительно хорошо знать физику, обязательно должен строить приборы сам. И, если они не нужны школе, пригодятся для вашей собственной, домашней лаборатории.

А там, где школьный физический кабинет пока еще беден, плохо оборудован, юные физики могут оказать большую помощь школе. Ведь многие приборы, о которых рассказывается в этой книжке, вполне пригодны для демонстрации опытов на уроках.

Дело чести юных физиков – сделать эти приборы аккуратными, красивыми и безотказными в работе.

Приборы, которые мы здесь описываем, взяты из различных разделов школьного курса физики. Все они нами изготовлены и проверены. Многие из них делались и юными физиками, причем не только в школьной мастерской, но и дома.

Приборов в этой книжке не так много – всего около тридцати. Если вам захочется сделать и другие приборы, упоминаемые в учебнике физики, постарайтесь достать в библиотеке книгу «Физический эксперимент в школе» или другие пособия по этому вопросу. Правда, эти книги не содержат таких подробных объяснений и описаний всех приемов работы. Они рассчитаны на более подготовленного читателя. Но ведь и вы, сделав предлагаемые нами приборы, будете не так уж плохо подготовлены!

Ватерпас

Ватерпас служит для проверки горизонтальности. Простой ватерпас можно сделать из деревянного чертежного угольника.

Угольник нужен 45-градусный, то есть с одинаковыми острыми углами по 45°. Чтобы работа прибора была более наглядной, нужно увеличить имеющийся в угольнике просвет.

Расчертите угольник карандашом по нашему рисунку. Из центра, намеченного на 10 мм ниже вершины прямого угла, проведите циркулем дугу. Она должна соединить острые углы просвета. Затем по намеченному центру проверните сквозное отверстие граненым шилом. Делайте это осторожно, чтобы угольник не разошелся. Стружку все время выбирайте.

Бока получившегося отверстия соедините прямыми линиями с острыми углами просвета. Расширьте просвет по этим линиям и дуге острым ножом и отшлифуйте шкуркой.

Найдите правильное положение конца отвеса. Для этого возьмите второй чертежный угольник и наложите его на угольник ватерпаса. Одна из боковых сторон угольника должна точно совпадать с основанием ватерпаса, а другая пройти точно через его вершину. Теперь прочертите риску на дуге ватерпаса и острым ножом прорежьте по этой риске узенькую канавку.

Рис. 1. Ватерпас из угольника.

Подвес для нитки лучше всего сделать из петли от крючка для платья (иногда такой крючок называют корсажным). На концах петли – два ушка для пришивания. Каждое из них захватите плоскогубцами и поверните на 90°. После этого наденьте петлю на угольник со стороны просвета. Ушки должны прийтись на шов, идущий к вершине прямого угла.

Через шов угольника и оба ушка проверните граненым шилом еще одно отверстие и петлю пока отложите.

Для устойчивости ватерпас должен иметь широкое основание. Подберите две дощечки толщиной 8—10 мм. Они должны быть на 30–40 мм длиннее длинной стороны угольника. Приклейте эти дощечки столярным клеем, как показано на рисунке. Аккуратно выровняйте их по краю угольника и подержите несколько минут в руках, пока клей схватится. После этого стяните выступающие концы дощечек шпагатом и оставьте сохнуть на ночь.

На другой день снимите шпагат и отрежьте выступающие концы дощечек. Отполируйте нижнее основание ватерпаса, водя им по листу мелкой шкурки, положенному на кусок стекла или другую гладкую поверхность. Если на ватерпасе остались следы клея, соскоблите их ножом.

Теперь нужно сделать подвес. Снова наденьте петлю на вершину ватерпаса со стороны просвета. Обстрогайте кусочек спички, чтобы он туго входил в отверстие угольника, и посадите его туда на клею.

Сложив пополам прочную нитку, пропустите ее концы через петлю подвеса. Затем введите эти концы в оставшуюся петельку и туго затяните. Висящие концы сложите вместе и проденьте в ушко швейной иглы. Подвиньте иглу на нитке так, чтобы ее острие немного цепляло за дугу ватерпаса. После этого нитки до и после иглы сложите вместе и затяните узлом. Узел немного укоротит нитку, и острие иглы перестанет цеплять за дугу ватерпаса.

Осталось надеть на иглу свинцовый грузик. Лучше всего подойдет рыболовное грузило. Годится также кусочек свинцовой оболочки от электрического кабеля, свинцовая пломба. Надев грузик, обожмите его плоскогубцами.

Ватерпас готов. Поставьте его на горизонтальную поверхность. Острие иглы установится точно над риской. Если игла отклоняется, поверхность не горизонтальна.

С помощью ватерпаса можете проверить, правильно ли стоит стол у вас в комнате.

Динамометр

Динамометр – это прибор для измерения силы. Обычно в динамометре используют стальную пружину. Но подходящую стальную пружину не всегда можно достать, а сделать ее самому трудно. Зато каждый из вас сможет сделать простейший динамометр с резинкой. Лучше всего достать специальную резину, которую ставят на модели самолетов. Если такую не достанете, можно вырезать полоску шириной 2 мм из старой мотоциклетной или автомобильной камеры.

Корпус динамометра (рис. 2) состоит из двух бумажных трубок.

Рис. 2. Динамометр и его части.

Для того чтобы их сделать, нужен круглый стержень диаметром 15 мм. Проще всего скатать такой стержень из куска обоев или какой-нибудь другой плотной бумаги. Наружный виток закрепите клеем.

Материал для трубок – тонкая плотная бумага, например из старой тетради. Заготовленный стержень сначала оберните бумагой один-два раза без клея. Если не сделать такой прокладки, то потом готовую трубку со стержня не снимете.

Поверх прокладки сверните первую трубку из бумаги с клеем. Клей нужен жидкий столярный или же казеиновый. Очень хорош так называемый фотоклей. Жидкий конторский клей не годится.

Возьмите развернутый лист из тетради и, смазывая клеем, аккуратно навертывайте его на стержень. Только, конечно, первый виток изнутри мазать не надо, чтобы не приклеился к прокладке. А последний виток оставьте сухим снаружи.

Поверх первой трубки сделайте еще одну прокладку из одинарного тетрадного листа. Эта прокладка тоже наматывается без клея. Нужна она не только для того, чтобы вторую трубку можно было снять с первой. Важно еще, чтобы между готовыми трубками при последующей сборке остался зазор. Иначе они не смогут свободно двигаться одна внутри другой.

Поверх второй прокладки намотайте с клеем вторую трубку из развернутого тетрадного листа. Кончив клеить, стяните наружную и внутреннюю трубки со стержня и положите их сохнуть по отдельности. Когда трубки высохнут, аккуратно подровняйте ножницами их концы.

Заготовьте две деревянные пробки с утолщенными бортиками. Одна должна плотно входить во внутреннюю трубку, другая – в наружную. Бортики не дадут пробкам провалиться внутрь трубки. В центре каждой пробки просверлите сквозное отверстие.

Петли для закрепления резинки, крючок для груза и ушко для подвески всего динамометра согните из стальной проволоки (рис. 2). Годится шпилька для волос или канцелярская скрепка потолще.

Закрепив петли в пробках, приступайте к сборке динамометра. Заготовленную резинку проденьте в петлю меньшей пробки и протяните до середины. Оба конца резинки пропустите через внутреннюю трубку, вставив пробку на место. Затем один конец резинки проденьте в петлю большей пробки и свяжите с другим, концом. Надвиньте наружную трубку на внутреннюю и вставьте в нее большую пробку до упора. В наружные ушки петель вденьте крючок и ушко.

Подвесьте динамометр за ушко и посмотрите, не растягивается ли резинка от веса внутренней трубки. Если резинка растягивается – значит, она слишком свободна и ее надо укоротить, перевязав узелок. Если же резинка не вытягивается даже под действием груза весом в 3 г, прикрепленного к крючку (можете взять трехкопеечную монету и прилепить ее пластилином или варом), то резинка подвязана слишком коротко. После нескольких проб вы найдете такую длину резинки, при которой динамометр будет начинать работу от груза весом в 2–3 г.

Отградуируйте динамометр. Для этого нагружайте его разновесом или бронзовыми монетами в 1, 2, 3, 5 копеек. Вес этих монет соответственно равен 1, 2, 3 и 5 г. Для того чтобы деления, нанесенные на внутренней трубке, всегда попадали в вырез наружной, закрепите обе пробки в их трубках мелкими гвоздиками.

Градуировку производите до тех пор, пока внутренняя трубка не вытянется из наружной почти полностью. Самый большой груз, который может поднять ваш динамометр, зависит от толщины резинки. Для грузов весом до 500–700 г можете сделать второй динамометр, взяв более широкую полоску резины или круглую резинку для трусиков. Можете использовать и авиамодельную резинку, сделав вместо одной петли несколько.

Недостаток динамометра с резинкой в том, что деления получаются неодинаковой величины. Еще один недостаток– это изменение упругости резины с течением времени. Резина понемногу высыхает, становится тверже. От этого градуировка динамометра меняется.

Обоих этих недостатков нет у стальной пружины. Поэтому, если сумеете достать или сделать ее, изготовьте динамометр с пружиной. Трубки для этого динамометра можно спаять из жести. Такой динамометр будет служить долго и давать надежные показания.

Динамометр понадобится вам для различных физических опытов, например для опытов с механизмами из блоков и с прибором для определения коэффициента трения, которые описаны в этой книжке.

Можно использовать динамометр в домашнем хозяйстве. Хороший динамометр со стальной пружиной вполне заменит кухонные весы. Такие динамометры для хозяйственных целей даже выпускаются заводами. Называются они пружинными безменами.

Если вы занимаетесь рыболовством, можете взвешивать на динамометре пойманных вами рыб. Это избавит вас от ошибок, в которые так легко впадают некоторые увлекающиеся рыболовы.

Наконец, с помощью динамометра можно научиться определять вес разных предметов «на руку». Прикинув предмет в руке, проверяйте его вес динамометром. Сначала вы будете делать очень большие ошибки. Но постепенно, по мере тренировки, можно научиться определять вес довольно точно.

Сосуд с отверстиями

Этот прибор показывает, как распределяется давление в столбе жидкости.

Сосуд сделайте из трех одинаковых консервных банок. Лучше всего подойдут банки из-под сгущенного молока, кофе, какао. Их легко паять, потому что они сделаны из хорошо луженной жести. Несколько хуже банки из-под зеленого горошка. Тщательно вымойте банки горячей водой и протрите ершиком, чтобы удалить все остатки содержимого.

Две банки из трех откройте также и с другого конца, удалив донышки. После этого кусачками разогните за-вальцованные края банки. Только у одной банки, которая будет наверху, оставьте верхний край. Края стенок осторожно выпрямьте молотком и затем аккуратно срежьте ножницами по шву загиба.

Каждая верхняя банка должна надеваться на нижнюю. Для этого ее нижний край нужно расширить, расклепав его молотком на наковальне, куске рельса или другом гладком стальном предмете. Еще лучше расклепывать, надев банку на кусок стальной трубы, зажатый в тиски. Труба может быть и небольшого диаметра. Особенно сильно не бейте: банка расширяется легко.

Вокруг каждой банки красным карандашом прочертите риску, отступив на 3–4 мм от верхнего края.

Насадите вторую банку на нижнюю, доведя ее край до красной риски. Паяльником прихватите стык в двух местах, следя за тем, чтобы край был точно на риске. Таким же образом насадите и прихватите третью банку.

Положите сосуд боком на стол или другую ровную поверхность и, перекатывая его с боку на бок, проверьте, не перекосились ли банки. Тщательно выровняйте сосуд, перепаяв, если нужно, отдельные места спайки. Только после этого можно прихватить стыки еще в нескольких местах и затем тщательно пропаять их по всей окружности.

Вдоль боковой стенки сосуда проведите по линейке линию. Отложив 10 мм от дна, сделайте на этой линии засечку. Здесь будет нижнее отверстие. Остальные два отверстия нужно наметить на этой же линии, отложив по 10 мм вверх от каждого спаянного шва.

Сверлом диаметром около 2 мм просверлите все три отверстия. Старайтесь сверлить точно. Если отверстия пойдут вкось, правильная работа прибора будет нарушена.

Под прибор нужно сделать подставку. Мы согнули и припаяли три ножки из медной проволоки. Если вам эта конструкция не нравится, можете сделать любую другую. Высота подставки должна быть около 100 мм.

Для сбора воды, вытекающей из отверстий, используйте большую фотографическую кювету или другую посудину шириной не менее 500 мм. Если ничего подходящего не найдете, согните из куска жести четырехугольный противень. Как его делать, ясно из рисунка 3.

Рис. 3. Сосуд с отверстиями.

Поставьте сосуд на стол так, чтобы край с отверстиями немного нависал над противнем. Налейте в сосуд воды до верха. Из отверстий забьют три струйки. Вы увидите, что дальше всех бьет струя из нижнего отверстия. Ведь над этим отверстием самый высокий столб воды. Поэтому здесь и давление будет самое большое. А давление внутри жидкости передается во все стороны одинаково. Значит, оно действует и на боковые стенки сосуда.

У среднего отверстия давление на стенку будет меньше, потому что над ним слой воды не так высок. Струя, вытекающая из этого отверстия, будет бить слабее. А из верхнего отверстия струйка будет совсем слабенькая.

Когда вы убедитесь в том, что вся вода собирается в противень и на стол ничего не попадает, можете слегка подкрасить воду чернилами. Это сделает опыт более наглядным.

После проведения опыта не забудьте ополоснуть сосуд и противень, вытереть их досуха и убрать в шкаф. Каждый раз, когда будете пользоваться приборам, прочищайте отверстия спичкой.

Сообщающиеся сосуды

В сообщающихся сосудах поверхность жидкости устанавливается на одном уровне. Сосуды могут быть разной формы, разной ширины – это не имеет значения. Для демонстрации этого закона физики сделайте прибор с четырьмя сообщающимися сосудами.

Разумеется, сосуды должны быть стеклянными, чтобы уровень жидкости в них был хорошо виден.

Один сосуд можно сделать из бутылки, а еще лучше – из плоского флакона, чтобы удобнее было прикреплять к доске. Только дно придется отрезать.

Оберните бутылку два раза бумажным шпагатом, хорошо смоченным в керосине. Зажгите шпагат и медленно поворачивайте бутылку, держа ее горизонтально над водопроводной раковиной или тазом с водой. Когда шпагат начнет гаснуть, быстро окуните бутылку в таз или облейте ее водой из-под крана. Если бутылка под шпагатом хорошо прогрелась, она треснет по всей окружности и дно отвалится.

Острые края обрезанной бутылки могут поранить руки. Их нужно затупить мелким напильником, точильным бруском или куском кирпича.

Остальные сосуды можно сделать из стеклянных трубок, изогнув их различным образом. Трубки резать проще, чем бутылки. Надо трехгранным напильником в нужном месте пропилить вокруг трубки бороздку. По обе стороны бороздки оберните трубку тряпочкой, чтобы не поранить руки. Затем возьмите трубку и сгибайте, нажимая на бороздку большими пальцами. Когда трубка отломится, затупите ее края, как уже говорилось.

Гнуть стеклянные трубки очень удобно над пламенем газовой или спиртовой горелки, свечи и т. п. Введя трубку «в верхнюю, наиболее горячую часть пламени, медленно поворачивайте ее, давая прогреться по всей окружности. При этом все время слегка нажимайте пальцами, стремясь согнуть трубку. Когда она начнет подаваться, не увеличивайте силу нажима, а сгибайте плавно и равномерно до нужного угла. Не растягивайте трубку, чтобы она не стала тоньше в месте сгиба. Дайте изогнутой трубке остыть, держа ее в руках, и только после этого положите или начинайте сгибать в другом месте.

Придайте трубкам различную форму, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Сообщающиеся сосуды.

Если же вы не сможете достать стеклянные трубки, придется подобрать разные бутылки, стекла от керосиновых ламп и одни из них прикрепить к доске прямо» а другие – косо.

Все сосуды должны быть одинаковой высоты, иначе прибор будет выглядеть неаккуратно. Трубок для соединения сосудов друг с другом нужно заготовить четыре штуки: две угловые и две – Т-образные. Их вид и размеры показаны на чертеже (рис. 4). Сверните трубки из жести на школьной ручке и аккуратно пропаяйте по шву.

К каждому сосуду подберите плотную пробку. Просверлите в пробках отверстия диаметром чуть меньше диаметра трубок. Если, скажем, трубки получились наружным диаметром 8 мм, то отверстия нужно сверлить диаметром 7 мм. Тогда трубки войдут с трудом и будут держаться туго.

Доску прибора размером 250X400 мм и толщиной 10–12 мм чисто обстрогайте, отшлифуйте шкуркой и покройте лаком. Из фанеры выпилите две одинаковые стойки. Их тоже надо отшлифовать шкуркой и покрыть лаком. Только на место ставить пока не нужно, чтобы не мешали при сборке.

Сосуды прикрепите к доске скобками из жести. Скобки привинтите шурупами.

Концы жестяных трубок, торчащие из пробок сосудов, соедините отрезками резиновой трубки. Наполнив сосуды водой, проверьте, нет ли где течи. Только после того, как сделаете все соединения трубок совершенно плотными, прикрепите стойки. Их нужно прибить, смазав предварительно места стыков столярным клеем.

Прибор готов. Медленно наливая в один из сосудов подкрашенную воду, вы увидите, как она поднимется на одинаковый уровень во всех остальных.

Если вместо двух Т-образных трубок сделать три, то воду из сосудов можно будет спускать через резиновый шланг с зажимом. Устройство зажима понятно из рисунка 4. Если открыть зажим и выпустить часть воды, то уровень ее будет понижаться во всех сосудах одинаково.

Используя закон сообщающихся сосудов, можно сделать простое приспособление для проведения на стене горизонтальных линий. Это бывает нужно, если вы хотите повесить школьную доску, большой ковер или же верхнюю часть стены побелить, а нижнюю окрасить клеевой или масляной краской. Линия раздела должна быть строго горизонтальной, иначе получится некрасиво. Приспособление состоит из двух стеклянных трубочек, соединенных резиновой трубкой. Как им пользоваться, ясно из рисунка 5.

Рис. 5. Приспособление для проведения горизонтальных линий.

Водомерное стекло

Как определить уровень жидкости в закрытом сосуде, например в паровом котле? Котел ведь непрозрачный, не видно, сколько в нем воды. Того и гляди, вся вода выкипит и котел распаяется.

Но вы знаете, что в сообщающихся сосудах жидкость устанавливается на одном уровне. Значит, можно к котлу приделать еще один сосуд, стеклянный. На каком уровне будет стоять вода в этом сосуде, на таком она и в котле стоит. Стеклянный сосуд в этом случае называют водомерным стеклом. Его легко сделать из стеклянной трубки. Когда трубку подберете, сверните и спаяйте две жестяные трубки такого же наружного диаметра. Спилите их с одного конца под углом в 45° и составьте вместе так, чтобы получился прямой угол. В этом положении трубки прихватите пайкой, а затем аккуратно пропаяйте по всему стыку. Таким же образом заготовьте вторую угловую трубку.

Котлом в нашем приборе будет служить консервная банка (рис. 6).

Рис. 6. Котел с водомерным стеклом.

Лучше взять банку повыше. У верхнего и нижнего ее краев проделайте два отверстия. Вставьте в них угловые трубки и аккуратно пропаяйте по контуру. Сбоку впаяйте у нижнего края еще одну прямую трубочку для спускного крана.

Отрежьте стеклянную трубку такой длины, чтобы как раз входила между угловыми трубками. Для того чтобы торец трубки не имел острых краев, его можно обточить точильным бруском или кирпичом, а еще лучше – осторожно оплавить в пламени спиртовки, газовой горелки или свечи.

На стеклянную трубку наденьте два кусочка резиновой трубки. Вставьте ее на место и натяните резиновые трубки на жестяные. Места соединений перевяжите прочной ниткой. Вместо резиновых трубок можно просто обернуть стыки хлорвиниловой изоляционной лентой. На трубочку для спускного крана наденьте кусок резиновой трубки подлиннее. Зажмите эту трубку прищепкой для белья.

Постепенно наполняя банку водой, вы увидите, как поднимается уровень воды в водомерном стекле. А если, разжимая прищепку, вы будете опорожнять банку, то и уровень воды в водомерном стекле будет понижаться.