Текст книги "Лаборатория юного физика"

Автор книги: Леонид Гальперштейн

Соавторы: Петр Хлебников
сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 7 страниц)

Перископ

Зеркала для перископа нужны прямоугольной формы. Проще всего достать их в магазине, где торгуют стеклами. Мы брали зеркала шириной 3 и длиной 4 см. Если у вас размеры получатся другие, – не беда, важно только, чтобы оба зеркала были точно одинаковые. Можно, например, использовать два одинаковых карманных зеркальца, которые продаются в галантерейных магазинах. Стоят они недорого.

Трубу перископа сделайте из картона от канцелярской папки. Разметить выкройку для трубы нужно очень точно. Это, пожалуй, самая сложная работа при изготовлении всего перископа.

Возьмите из тетради по арифметике листок бумаги в клеточку. Вырежьте кусочек побольше зеркала и аккуратно обрежьте его по напечатанным линиям. Наклейте этот кусочек бумаги точно на угол канцелярской папки. Когда клей высохнет, наложите линейку и острым карандашом проведите линию от угла папки через клеточки наискосок. Рассмотрите внимательно, как проходит линия на нашем рисунке 45.

Рис. 45. Изготовление трубы перископа.

Поставьте зеркало на эту линию ребром длинной стороны. Придвиньте его край к самому углу листка, но так, чтобы он не свешивался. Проверьте еще раз, правильно ли стоит зеркало на проведенной линии. Теперь острым карандашом обведите ребро зеркала. Получится узенький прямоугольник, стоящий под углом в 45° к линиям, образующим клеточки. Убрав зеркало, проведите две линии, параллельные линиям клетчатой бумаги, через противоположные углы прямоугольника. Весь прямоугольник окажется между этими линиями. Расстояние между ними и будет шириной трубы перископа. Ведь в ней зеркало должно стоять косо.

Найденную ширину трубы отложите вдоль нижнего обреза картонной выкройки. А другой размер выкройки – толщину трубы – возьмите по короткой стороне зеркала. Затем отложите еще раз ширину и еще раз толщину. Такие же самые отметки сделайте и на противоположном краю выкройки.

Возьмите большую линейку или ровную дощечку и проведите по ней четыре линии, соединяющие отметки на папке. Три из этих линий надрежьте по линейке концом ножа. По четвертой линии отрежьте готовую выкройку от папки. Выкройка состоит из четырех полос. Напишите на них цифры 1, 2, 3, и 4, начиная от угла, где приклеена бумага в клеточку.

Сверните выкройку по надрезам в четырехугольную трубу и склейте ее, наложив на стык полоску бумаги, смазанную клеем.

Труба нашего перископа имеет на концах два одинаковых колена. Материал для них – оставшаяся часть канцелярской папки.

Отрежьте полосу картона шириной в 10 см. Склейте из нее еще две трубы так, чтобы они плотно надевались на первую. Это – заготовки колен.

Поставьте трубу одним концом на стол. Положите на стол колено и придвиньте его конец вплотную к трубе. Отметьте то место, где верх колена прикасается к трубе.

Теперь колено поставьте стоймя, а трубу положите на стол. Придвиньте конец трубы к колену и сделайте на колене карандашную отметку.

Отчеркнутые части сторон трубы и колена нужно вырезать, чтобы получились окошки. Колено и конец трубы, к которому оно подогнано, обозначьте крестиком, чтобы потом не путать.

Точно то же самое проделайте с другим концом трубы и вторым коленом. Только не забудьте, что это колено должно смотреть в противоположную сторону.

Положите трубу на край стола окошком к себе. Вдвиньте в нее одно из зеркал и поставьте так, чтобы его край совпал с открытым краем окошка. Поверните зеркало, чтобы в нем был полностью виден просвет на противоположном конце трубы. Придерживая зеркало в найденном положений, прочертите вдоль его сторон линии внутри трубы.

После этого поверните трубу другим окошком к себе и снова проделайте такую же операцию с зеркалом. Подберите четыре ровные, прямые спички и приклейте их внутри трубы по проведенным линиям. Спички нужны для того, чтобы зеркала держались в найденном положении и не проваливались внутрь. Когда клей высохнет, вложите зеркала на место. Проверьте, правильно ли они стоят. Если посмотреть в одно зеркало, то в самой его середине должно быть видно другое.

Осталось поставить на место оба колена. Смажьте их бока изнутри клеем и надвиньте на концы трубы. На внутренних и наружных углах могут остаться щели. Заклейте их полосками бумаги. Перископ готов (рис. 46).

Рис. 46. Общий вид перископа и схема его действия.

В наш перископ видно немного. Это потому, что зеркала маленькие.

Если достанете зеркала побольше, можно сделать очень удобный большой перископ. В него можно будет смотреть двумя глазами сразу. Такой перископ особенно хорош на спортивных соревнованиях и других мероприятиях, где присутствует много людей. Вместо того чтобы протискиваться в первые ряды зрителей, вы сможете хорошо все видеть через головы взрослых.

Зеркала нужны размером не меньше чем 90X90 мм. Длина трубы тоже нужна большая. Для того чтобы смотреть через головы взрослых, нужна труба в полметра. Можно, конечно, сделать и еще больше, но этим не следует увлекаться. Чем длиннее труба, тем меньше получается поле зрения.

Труба размечается точно таким же образом, как и для маленького перископа. Делать ее придется из листа плотного картона: канцелярская папка слишком мала.

Колена для большого перископа не нужны. Сделайте просто открытые отверстия, почти во всю ширину трубы. Высота верхнего отверстия должна быть равна двум третям высоты зеркала. А для нижнего отверстия достаточно одной трети или даже четверти.

В маленьком перископе колена закрывали трубу сверху и снизу. Здесь придется вклеить в нее два днища из картона.

Большие зеркала на спичках держаться не будут. Вклеивайте их в трубу на картонных угольниках.

Чертежей большого перископа мы здесь не даем. После того как сделаете маленький перископ, вам и без чертежей все будет понятно.

Зрительная труба и телескоп

Увеличение, даваемое зрительной трубой, определяется по приближенной формуле:

Увеличение = Сила окуляра/Сила объектива

Окуляром называется стекло (или система стекол), обращенное к глазу наблюдателя. Объективом называется стекло (или система стекол), обращенное к наблюдаемому предмету, то есть к объекту наблюдения.

Оптическую силу стекол принято измерять в диоптриях. Для объектива описываемого здесь телескопа необходимо увеличительное стекло силой 1,25—1,50 диоптрии, для окуляра – 20 диоптрий. Телескоп при этом будет давать увеличение в тринадцать – шестнадцать раз.

Можно сделать телескоп с окуляром из вогнутого стекла. Его увеличение будет определяться по той же формуле. Это – так называемая труба Галилея. Для земных наблюдений она удобнее, потому что дает не перевернутое, а прямое изображение предмета.

Увеличение для земных наблюдений нужно в четыре– восемь раз, как у бинокля. Для того чтобы труба получилась покороче, увеличение ее выгодно уменьшить не за счет окуляра, а за счет объектива.

Чтобы при окуляре в 20 диоптрий получить четырехкратное увеличение, нужен объектив в +5 диоптрию Фокусное расстояние такого объектива составляет всего 200 мм, а длина трубы будет еще меньше, так как в трубе Галилея окуляр помещают несколько ближе фокуса объектива. Такая труба немногим больше бинокля и ею удобно пользоваться в походе.

Изготовление четырехкратной трубы Галилея

Приобретите в аптеке или оптическом магазине два стекла: +5 диоптрий для объектива и —20 диоптрий для окуляра. Если точно таких не подберете, возьмите близкие к ним. Увеличение, которое получится с другими стеклами, можете подсчитать сами по формуле.

Стекла для очков бывают простые и менисковые. Простые для трубы лучше, но менисковые также годятся.

Стекла в —20 диоптрий обычно продаются уже обточенными до наружного диаметра 40 мм. Это стандартный диаметр оправы круглых очков. Стекло в +5 диоптрий может попасться и необточенное, наружным диаметром 45 мм. Годится любое.

Оправа свертывается и склеивается из черной бумажной ленты шириной 30 мм (рис. 47).

Рис. 47. Зрительная труба и ее детали.

Лучше всего взять бумагу, которой обертывают фотопластинки. Если такой не достанете, возьмите обычную писчую бумагу и потом все детали из нее окрасьте черной тушью изнутри и снаружи. Клей возьмите жидкий столярный или фотоклей, который продается в магазинах.

Оберните лентой стекло по окружности. Смажьте начало свободного конца ленты клеем и закрепите получившееся кольцо. Затем выньте стекло, смажьте весь свободный конец клеем и аккуратно свертывайте оправу на руках. Всего нужно сделать шесть– восемь оборотов. Можно склеивать оправу из нескольких коротких полосок. С ними работать легче, только каждую следующую полоску подклеивайте к предыдущей в стык.

Когда оправа высохнет, вырежьте из плотной бумаги полоску шириной 20 мм и оберните ее один раз вокруг оправы, точно наложив концы друг на друга. Обведите края этой полоски карандашом и снимите ее, а оправу обрежьте по карандашным линиям.

Затем заготовьте из толстого картона две полоски шириной по 5 мм каждая и такой длины, чтобы свернутые из них в стык кольца плотно входили внутрь оправы. Смажьте одно кольцо клеем, заложите его внутрь оправы вплотную к одному краю, вставьте стекло и впритык к нему вклейте второе кольцо.

Труба состоит из двух частей – корпуса и тубуса, входящих друг в друга (рис. 48). Длина каждой из этих частей должна быть равна фокусному расстоянию объектива минус 75 мм. Так, например, если сила объектива равна 4–5 диоптриям – значит, фокусное расстояние равно одной пятой метра, то есть 200 мм, а длина корпуса и тубуса будет по 200 – 75 = 125 мм. Нарежьте бумагу лентами шириной по 135 мм. Лишние 5 мм с каждой стороны нужны для того, чтобы края можно было потом подровнять, как подравнивали края оправы.

Сверните в трубку лист плотной бумаги, точно подогнав его диаметр под наружный диаметр оправы окуляра. Чтобы трубка не развернулась, концы обвяжите шпагатом. На этой трубке склейте тубус из шести– восьми оборотов ленты. На тубусе, не снимая его с трубки и не давая просохнуть, склейте таким же образом корпус трубы. Готовый корпус немедленно снимите с тубуса, пока клей не засох, иначе они могут приклеиться друг к другу.

Если наружный диаметр стекла для объектива равен 40 мм, то оправу для него склейте таким же образом, как клеили для окуляра, только здесь нужно будет сделать больше оборотов ленты. Затем оберните оправу объектива бумажной лентой на клею так, чтобы она туго входила внутрь корпуса трубы.

Если наружный диаметр стекла объектива равен 45 мм, то оправу придется надевать на корпус трубы. В этом случае возьмите ленту шириной 40 мм и склейте из нее кольцо в шесть – восемь оборотов на корпусе трубы. Затем снимите кольцо с корпуса и подровняйте края. Длина оправы будет теперь 30 мм (рис. 47).

Если стекло объектива входит в оправу свободно, вырежьте из бумаги ленту шириной 10 мм, склейте из нее кольцо точно по стеклу объектива и такой толщины, чтобы оно плотно входило в оправу. Вклейте это кольцо внутрь оправы вплотную к одному краю, а стекло укрепите картонными полосками, как делали это с окуляром.

Рис. 48. Изготовление трубы.

Соберите трубу и наведите ее на какой-нибудь удаленный предмет, постепенно вдвигая тубус трубы в корпус.

Если края изображения будут получаться размытыми, нерезкими, вставьте в оправу объектива, вплотную к стеклу, диафрагму из черной бумаги. Чем меньше отверстие диафрагмы, тем лучше качество изображения, но меньше будет света, попадающего в трубу. Подберите такое отверстие диафрагмы, чтобы изображение было достаточно четким, но не слишком темным.

Самодельную подзорную трубу хорошо использовать в туристском походе. Она заменит вам бинокль. Только не делайте трубу с увеличением больше, чем в четыре раза. Сильно увеличивающую трубу неудобно держать; изображение в ней «прыгает» при малейшем движении.

Изготовление телескопа

Изготовление телескопа начинайте с оправы окуляра, которая делается точно так же, как для подзорной трубы. Стекло для окуляра возьмите простое (не менисковое) + 20 диоптрий.

Тубус телескопа делайте так же, как для подзорной трубы Галилея. Длина его в готовом виде 125 мм. Ленту возьмите шириной 135 мм (по 5 мм с каждого конца обрежете при подравнивании).

Самая ответственная операция – это изготовление корпуса трубы. Длина его должна быть равна фокусному расстоянию объектива. Для объектива со стеклом +1,25 диоптрии нужен корпус трубы длиной 800 мм. Склеить из бумаги такую длинную трубу очень сложно, поэтому лучше делать ее из двух частей.

Каждую часть длиной 400 мм склейте на бумажном рулоне или свертке обоев, точно подогнанном по диаметру под тубус. Клеить на самом тубусе нельзя: он слишком короток и не даст достаточного направления.

Подровняйте кромки частей корпуса, сведите их в стык на рулоне и соедините несколькими оборотами бумажной ленты шириной 30 мм на клею.

Оправа объектива делается точно так же, как в подзорной трубе.

Наблюдать в телескоп, держа его в руках, невозможно. Слишком велико увеличение. Необходимо сделать штатив с шарнирной головкой. Устройство частей штатива ясно из рисунка 49.

Рис. 49. Телескоп и устройство штатива для него.

Грубую наводку телескопа в горизонтальной плоскости производите поворотом штатива на столе. Для тонкой наводки поворачивайте фанерный диск, на котором укреплена труба, соединенным с ним маленьким валиком. Валик можно сделать из ножки от штепсельной вилки, вставленной в гнездо. Ножку вилки обмотайте полоской изоляционной ленты, дающей хорошее сцепление с ребром диска. Сверху на ножку навинтите клеммную головку, которая будет служить ручкой управления.

Грубую наводку в вертикальной плоскости можете осуществить поворотом щечек штатива вокруг нижней оси. Найдя нужное положение щечек, закрепите их, стягивая винтом с клеммной головкой. Другой такой же винт будет служить верхней осью щечек и одновременно тормозом тонкой вертикальной наводки.

Сквозь валик тонкой наводки пропустите суровую нитку. Концы ее оберните вокруг валика по три раза в противоположные стороны и затем закрепите их за ушки площадки штатива. При повороте валика рукояткой, сделанной из половинок катушки, один конец нитки освобождается, а другой натягивается, поэтому площадка наклоняется в нужную сторону.

Наведите трубу на сильно удаленный предмет, настройте ее на резкость и в таком положении найдите центр тяжести трубы. Он будет смещен от середины корпуса в сторону окуляра. Прикрепите корпус трубы к кобылкам штатива двумя картонными полосками так, чтобы центр тяжести трубы оказался точно посредине. Тогда трубу легко будет наводить в вертикальной плоскости.

Если достанете сильную лупу, можете сделать из нее сменный окуляр к вашей трубе. На лупах обычно указывается не оптическая сила, а увеличение, которое дает лупа. Чтобы узнать оптическую силу лупы в диоптриях, надо увеличение лупы помножить на четыре. Так, оптическая сила шестикратной лупы равна 24, восьмикратной– 32, десятикратной – 40 диоптриям. С такими окулярами и объективом в 1,25 диоптрии можно получить увеличение в 19,2, 25,6 и в 32 раза.

Теперь можно приниматься за астрономические наблюдения. Достаньте книжку «Школьный астрономический календарь». Этот календарь выходит ежегодно. Там указано расположение планет и созвездий по месяцам и дан список рекомендуемой литературы по астрономии.

Ньютоновы волчки

Вы знаете, что белый свет на самом деле является сложным. Его можно разложить на лучи разных цветов. Ну, а если складывать разные цвета? Что получится?

Это легко проверить с помощью очень простого и остроумного прибора, придуманного знаменитым английским ученым Исааком Ньютоном. Прибор Ньютона – самый обыкновенный волчок. Его ножку можно сделать из заостренной спички, кружок – из белого картона. Нет белого – возьмите любой, только сверху наклейте белую бумагу. Разделите кружок на четыре сектора. Два из них окрасьте в синий цвет, а другие два – в желтый. Запустите волчок – он покажется вам зеленым. Это результат сложения синего и желтого цветов.

Точно так же сине-красный волчок окажется фиолетовым, а красно-желтый – оранжевым. Но самый интересный волчок получится, если смешать все семь цветов радуги. Для этого разделите кружок волчка на восемь секторов и семь из них окрасьте в основные цвета радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Восьмой сектор пока оставьте белым (рис. 50).

Рис. 50. Ньютоновы волчки.

Запустите волчок. Вы увидите, что он стал почти белым. Чтобы точнее подогнать цвет волчка к белому, воспользуйтесь запасным, восьмым, сектором. Он служит для настройки. Если, скажем, волчок при вращении кажется розоватым, слегка подкрасьте настроечный сектор в зеленый цвет. Пробуя и постепенно усиливая окраску, вы можете получить почти чистый белый цвет.

Если волчок кажется зеленоватым, красьте настроечный сектор в розовый цвет, если голубоватым – в оранжевый, если желтым – в сиреневый.

Пользуясь таким же настроечным сектором, вы сможете получить белый цвет и не из всех цветов радуги, а только из пар так называемых дополнительных цветов:

голубой + оранжевый = белый,

зеленый + красный = белый,

фиолетовый + желтый = белый.

Не жалейте труда на точную подгонку белого цвета. Получается очень эффектно, когда белый волчок, перестав крутиться, оказывается желто-фиолетовым или красно-зеленым.

Призма

С помощью призмы можно разложить луч белого света на лучи различных цветов. Это очень эффектный и красивый опыт. Вот только призма не всегда бывает под руками.

На оптических заводах призмы вырезают из стекла, шлифуют и полируют. Все это делается на специальных станках. Самодельную призму (рис. 51) можно сделать из органического стекла.

Рис. 51. Призмы и болванка.

Если попадется кусок органического стекла толщиной хотя бы в 25–30 мм, призму можно просто вырезать целиком. Выпилите ее ножовкой и аккуратно опилите мелким напильником. Высота призмы 45–50 мм. В сечении призма должна иметь форму равнобедренного треугольника с углом при вершине 45–50°.

Вообще имейте в виду, что точность размеров призмы роли не играет. Главное здесь в том, чтобы поверхности боковых граней были опилены точно по плоскости и очень хорошо отполированы.

Наиболее ответственные операции – шлифовка и полировка призмы. Шлифовать и полировать нужно только боковые грани. Основания призмы лучше оставить шероховатыми, чтобы не было лишних отражений света.

Шлифовать нужно самой мелкой шкуркой с машинным маслом. Когда снимете все царапины и следы напильника, переходите к полировке. Лучше всего полировать так называемой пастой ГОИ, созданной в свое время в Государственном оптическом институте в Ленинграде. В состав этой пасты входит тончайший порошок зеленой окиси хрома.

Пасту ГОИ применяют иногда для точки бритв. Из нее сделаны зеленые гребенчатые камешки в точилке для лезвий безопасной бритвы.

Пасту нужно взять на суконку или лоскут кожи и натирать полируемую поверхность до тех пор, пока она не заблестит, как зеркало. Остатки пасты сотрите мягкой тряпочкой.

Окись хрома – очень твердый материал. Ею полируют стекло, сталь, мрамор. Но для полировки органического стекла можно воспользоваться и более мягкими материалами. Если не достанете пасту ГОИ, возьмите на мягкую влажную тряпочку зубной порошок. Еще лучше взять зубную пасту: в ней крупинки мела измельчены более тщательно.

Если достанете листовое органическое стекло толщиной 3–5 мм, призму придется склеить и потом налить водой. Клеить удобнее всего на болванке (рис. 51).

Болванку изготовьте из дерева. Она тоже должна иметь в сечении форму равнобедренного треугольника с углом при вершине 45–50°. Только размеры лучше взять побольше, чтобы спектр получался из более широкого пучка лучей. Основание треугольника должно быть шириной 40–45 мм, высота – 120 мм.

Ножовкой или резаком нарежьте из листа органического стекла заготовки граней призмы.

Опилки и стружки соберите, они понадобятся для приготовления клея.

На болванке подгоните друг к другу сначала две боковые грани призмы. При этом пилить нужно только одну из граней, подгоняя ее к боковой стороне другой. Подпиливая грань мелким напильником, все время прикладывайте ее к другой и проверяйте, где остались выступающие части.

Когда хорошо подгоните шов, слегка обдерите мелкой шкуркой глянец с боковой стороны грани в месте склейки. Так лучше будет держаться клей. А края граней, выступающие по бокам снизу, подпилите почти до самой болванки.

Клей приготовьте, растворив опилки органического стекла в дихлорэтане. Пары этой жидкости легко вспыхивают, поэтому берегите ее от огня. Растворять надо до густоты растительного масла. Готовый клей храните во флаконе с притертой стеклянной пробкой.

Нанесите слой клея палочкой на обе склеиваемые поверхности. Прижмите их друг к другу на болванке и подержите несколько минут в руках. Клей сохнет быстро.

Небольшие закраины граней, выступающие по бокам болванки снизу, сошлифуйте на шкурке. Приколите лист шкурки кнопками к ровной доске. Водите по нему заготовку вместе с болванкой, пока болванка тоже не начнет шлифоваться.

Приложите третью грань призмы. Она должна хорошо прилегать. Места склейки слегка обдерите мелкой шкуркой. Приклейте третью грань и держите в руках, пока не высохнет.

Высыхая, клей очень сильно уменьшается в объеме. Поэтому в местах склейки могут образоваться щели. Осторожно вытолкнув болванку, промажьте швы изнутри клеем при помощи заостренной палочки. Повторите эту операцию несколько раз, каждый раз давая клею высохнуть.

Выступающие ребра призмы спилите мелким напильником. Можете их затупить и даже закруглить – это не имеет значения. Полировать эти места после опиловки тоже не нужно.

Подшлифуйте на шкурке торцы призмы для приклейки дна и крышки. Если есть большое несовпадение боковых граней, сначала подгоните эти места напильником, затем подшлифуйте на грубой шкурке и потом уже на мелкой.

Заготовьте дно и крышку и места склейки обдерите мелкой шкуркой.

Приклеив дно, несколько раз промажьте швы клеем изнутри. Затем налейте в призму воды и проверьте, нет ли где течи. Если течь есть, отметьте это место и, просушив призму, промажьте клеем еще несколько раз. Затем потрите приклеенное дно шкуркой, чтобы вся его нижняя поверхность стала матовой.

Прежде чем приклеивать крышку, просверлите в ее центре отверстие диаметром 10 мм. В этом отверстии будет потом прятаться пузырек воздуха. Крышка приклеивается так же, как дно, и тоже матируется после приклейки.

Опилите мелким напильником края дна и крышки. На крышку над отверстием наклейте «горлышко» – кусок органического стекла с резьбой под пробку. Пробку хорошо выточить из металла или пластмассы. По краям головки сделайте накатку, а по оси просверлите сквозной канал диаметром около 1 мм. Это нужно для того, чтобы вода, расширяясь при нагревании, имела выход наружу и не разорвала призму.

Если возможности выточить пробку нет, подберите просто металлический винт. Предохранительное отверстие для выхода воды просверлите в «горлышке», только поближе к краю, чтобы головка винта его не закрыла.

Рис. 52. Последовательность изготовления призмы.

Наполните призму чистой водой комнатной температуры. Если наливать холодную воду, то по мере ее нагревания на стенках призмы изнутри будут оседать пузырьки растворенного в воде воздуха.

Спектр лучше всего наблюдать в темной комнате. Можно днем затемнить комнату шторами из черной бумаги, оставив одно отверстие для солнечных лучей. Но это очень неудобно. Опыт можно проводить только с прямыми солнечными лучами. В пасмурную погоду спектр будет очень неясным, а в солнечную – получится на полу, где его неудобно наблюдать.

Удобнее всего делать опыт с искусственным источником света. Спектр будет тем ярче, чем сильнее используемый для опыта источник света. Лучше всего воспользоваться кинопроектором, или проекционным фонарем, или хотя бы фотоувеличителем, положенным набок. Свет на призму должен падать узким пучком. Поэтому сделайте перед проектором диафрагму в виде вертикальной щели шириной 2–3 мм. Длина щели может быть в пределах высоты призмы.