Text
                    Академия педагогических наук СССР
В. А. БУРОВ, Б. С. ЗВОРЫКИН, А. А. ПОКРОВСКИЙ, И. М. РУМЯНЦЕВ
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ
ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ФИЗИКЕ
В СТАРШИХ КЛАССАХ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ
ЧАСТЬ /
МЕХАНИКА, ТЕПЛОТА
Под редакцией А. А. Покровского
Пособие для учителя
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ПРОСВЕЩЕНИЕ" Москва-196?

Рекомендовано к изданию ученым советом Института общего и политехнического образования АПН СССР 6-5 164-66
ПРЕДИСЛОВИЕ Демонстрационные опыты по физике в средней школе весьма многочисленны и разнообразны. На одну и ту же тему, кро- ме основных, необходимых демонстраций, можно указать несколь- ко возможных вариантов опытов, по-разному решающих поставлен- ную задачу. Настоящее пособие посвящено главным образом- основным демонстрационным опытам по физике в старших классах средней школы1. Подбор опытов определялся следующими соображениями. В кур- се физики средней школы 'прежде всего должны быть показаны процессы, явления и закономерности, которые служат опреде- ляющими для того или иного раздела. Прочное усвоение этого материала необходимо для дальнейшего нормального прохождения курса. Затем должны демонстрироваться опыты, раскрывающие типичные применения некоторых изучаемых явлений и закономер- ностей, чтобы наглядно показать тесную связь физики с окружаю- щей жизнью. Далее следует показать сравнительно небольшое чис- ло опытов, подготавливающих учащихся к физическим практику- мам. Сюда относятся опыты, показывающие устройство и действие основных лабораторных приборов, приемы обращения с ними и методы определения некоторых физических величин. Наконец, к необходимым следует отнести опыты, представляющие собой экс- периментальные задачи из разных разделов курса. Они помогают углубленному пониманию изучаемого материала и развивают фи- зическое мышление. В этих четырех направлениях и подбиралась тематика опытов, описанных в данном пособии. Содержание разделов и опытов связано с действующей програм- мой и частично с проектом будущей программы. Этим объясняется введение некоторого нового для средней школы материала (враще- ние твердого тела, сложение перпендикулярно направленных коле- 1 Для восьмилетней школы см.: А. А. Покровский и др., Демон- страционные опыты по физике в VI—VII классах средней школы, изд. 2, М., Учпедгиз, 1956. 3
баний) и выделение в самостоятельные параграфы разделов акус- тики и ультразвука. Незначительное изменение по сравнению с действующей про- граммой произведено в расположении материала. За «Основами ме- ханики» оказалось удобнее поместить «Механические колебания и волны», а затем — «Движение жидкостей и газов». Последнему раз- делу уделено большее внимание, чем это обычно принято: опреде- лена система демонстраций, подобрано комплектное оборудование, разработана простая (без применения водопровода) техника де- монстрирования опытов по гидродинамике. Порядок расположения материала по всем разделам книги не случайный: последовательностью опытов авторы стремились пока- зать, насколько это возможно, принятую ими последовательность изложения курса. Особенно отчетливо это выражено в главе «Ко- лебания и волны». При разработке конкретного содержания каждого опыта об- ращалось внимание на комплектность оборудования. Из многих возможных и различных по характеру установок на одну и ту же тему, как правило, выбиралась такая, которая не требовала бы специального прибора только для данного опыта. Большинство приборов встречается по нескольку раз в разных установках. Та- ким образом, курс физики обеспечивается необходимыми демонст- рациями при минимальном комплектном оборудовании. Как правило, описанные установки собираются на приборах, выпускаемых нашей промышленностью и имеющихся в школах с нормально оборудованным физическим кабинетом. Иногда допол- нительно применяются и самодельные, упрощенные, приборы или приводятся ссылки на литературу, где можно найти указания к постановке опытов на самодельных приборах. Авторы сочли возможным воспользоваться электронным ос- циллографом, счетчиком-секундомером, проекционным гальвано- метром и другими приборами общего назначения до изучения их устройства в курсе физики. Кроме того, введены новые приборы, без которых трудно было полностью обеспечить все разделы курса необходимыми опытами должного качества. Заново разрабатывались, например, небольшая электрифицированная настольная машина Атвуда, вращающийся диск для многих опытов по механике, элект- ронный счетчик-секундомер, микроманометр, аэродинамические весы с набором обтекаемых тел и др. (см. приложение). Все эти приборы утверждены Учебно-методическим советом Министерства просвещения СССР для изготовления промышленностью (Глав- учтехпромом). В тех сравнительно редких случаях, когда оборудование для основных опытов оказывалось слишком сложным, дорогим и не могло быть рекомендовано средней школе, опыты заменялись кино- фильмами. При этом содержание кинофильмов и методика их при- менения описываются в книге вместе с описанием опытов. 4
Кинофильмы и кольцовки рекомендуются и в других случаях, где они служат полезным дополнением к основному содержанию, показанному на опыте. Разработка новых демонстраций и конструирование приборов выполнялись авторами в секторе обучения физике Института обще- го и политехнического образования АПН. Опытные образцы прибо- ров изготовлялись в экспериментальной мастерской отдела учеб- ного оборудования. Сборка установок проводилась в физических кабинетах средних школ № 315 Москвы и № 98 поселка Кратово Московской области. Это дало возможность описание всех опытов сделать с натуры и подавляющее большинство из них проверить на занятиях с учащимися непосредственно в классной обстановке. Отдельные части книги написаны: В. А. Буровым — гл. II Б. С. Зворыкиным — гл. I И. М. Румянцевым ' — гл. III и § 6 гл. IV. В работе принимал участие доцент Московского областного педагогического Института им. Н. К. Крупской А. П. Кузьмин; им написан § 4 IV главы и опыт 155. Чтобы учитель мог иметь ясное представление об оборудова- нии, каким надо пополнять физический кабинет для полного обес- печения описанных опытов, в приложении приводится список вновь сконструированных приборов. Из них приборы 8 и И разработаны В. А. Буровым; 2, 3, 4, 6, 7 и 24 — Б. С. Зворыкиным; 1,5, 12, 13, 16, 17 и 25 — И. М. Румянцевым; 22 и 23 — А. П. Кузьминым. Вся работа по созданию пособия велась под общим руковод- ством А. А. Покровского, которым предложен план книги, разрабо- тана тематика демонстраций, написаны введение и глава IV (со- вместно с И. М. Румянцевым и А. И. Кузьминым). Авторы
ВВЕДЕНИЕ ОБ УЧЕБНОМ ФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ § 1. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ И ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ Учебный физический эксперимент в виде демонстра- ционных опытов и лабораторных работ является неотъемлемой, органической частью курса физики средней- школы. Удачное соче- тание теоретического материала и эксперимента дает, как показыва- ет практика, наилучший педагогический результат. Какие же методические задачи решаются с помощью учебного физического эксперимента? Демонстрационные опыты, как известно, формируют накоплен- ные ранее предварительные представления, которые к началу изу- чения физики далеко не у всех учащихся бывают одинаковыми и безупречными. На протяжении всего курса физики эти опыты по- полняют и расширяют кругозор учащихся. Они зарождают пра- вильные начальные представления о новых физических явлениях и процессах, раскрывают закономерности, знакомят с методами ис- следования, показывают устройство и действие некоторых новых приборов и установок, иллюстрируют технические применения фи- зических законов. Все это конкретизирует, делает более понятны- ми и убедительными рассуждения учителя при изложении нового материала, возбуждает и поддерживает интерес к предмету. Лабораторные работы — фронтальные и в виде практикумов — дают возможность усовершенствовать, развить и углубить полу- ченные ранее первоначальные представления, довести их до по- нятий и твердых знаний. Кроме того, лабораторные работы разви- вают умения и навыки в обращении с аппаратурой, вырабатывают элементы самостоятельности при решении вопросов, связанных с экспериментом. Демонстрации подготавливаются и проводятся учителем перед учащимися целого класса, т. е. перед аудиторией 30—40 чело- век. Лабораторные работы подготавливаются учителем, но вы- полняются учащимися индивидуально или звеньями в 2—3 человека. 6
Очевидно, к демонстрационным опытам должны предъявляться иные требования, чем к лабораторным работам. В этой связи следует обратить внимание на опыты качественно- го характера, которые с простейшим оборудованием фронтально выполняются учащимися в процессе обучения. В недавнее время по какому-то недоразумению эти опыты стали выделять в самостоя- тельную группу и даже дали им наряду с фронтальными лабора- торными работами отдельное название «фронтальный эксперимент», а в программе — «лабораторные опыты»1. Чтобы устранить здесь путаницу, надо напомнить, что такие опыты есть те же фронталь- ные лабораторные работы, только качественного характера. Различные цели, условия проведения и требования заставляют строго отличать демонстрационные опыты от лабораторных. Нель- зя допускать, чтобы лабораторные работы подменялись показом опытов на лабораторном оборудовании, а типичные демонстра- ционные опыты проводились бы как лабораторные работы на обо- рудовании для демонстраций. В старших классах средней школы демонстрационный экспери- мент имеет в настоящее время свою особенность по сравнению с младшими классами. Кроме обычных, общепринятых опытов по всем разделам курса физики и некоторым техническим примене- ниям, в его содержание должны войти опыты, отражающие подго- товку учащихся к практикумам, и опыты, представляющие собой экспериментальные задачи. Типичным примером того, как проводится демонстрация, когда надо познакомить учащихся с работами практикума, служит опыт 143 «Устройство и применение психрометра и гигрометра» (стр. 313). Здесь учитель не повторяет перед аудиторией лабо- раторную работу по определению влажности воздуха, как она должна выполняться учащимися, а лишь наглядно выявляет ме- тоды определения влажности. Выразительными средствами с при- менением проецирования он показывает всей аудитории особен- ности аппаратуры, предназначенной для лабораторной работы, и приемы обращения с этой аппаратурой. Примеры постановки экспериментальных задач имеются в раз- ных главах данного пособия. Наиболее типичные из них показаны в опыте 23 (стр. 66). Перед учащимися собирают наглядную уста- новку с подвешенным на нити грузом, вес которого известен (рис. 58). Затем измеряют демонстрационным метром необходимые расстоя- ния. Требуется теоретически рассчитать натяжение нитей, а затем экспериментально проверить полученные результаты с помощью демонстрационного динамометра. Демонстрации и лабораторные работы могут иметь качествен- ный и количественный характер. Однако в случае, когда подготов- 1 Программы средней школы на 1963/64 учебный год. Физика и астро- номия, Учпедгиз, 1963. 7
ляют количественные демонстрационные опыты, надо позаботиться о том, чтобы результаты измерений по возможности выражались не- громоздкими целыми числами и не требовали много времени для вычислений. Типичным примером количественной демонстрации может слу- жить опыт 133 (стр. 296), раскрывающий закон Бойля —Мариотта. Здесь объем газа в условных единицах задается экспериментатором, а давление измеряется демонстрационным манометром. Для полу- чения окончательного результата числа, выражающие объем и давление газа, легко перемножаются в уме (см. таблицу на стр. 297). При подготовке демонстрационных опытов полезно не забывать, что за различными уравнениями и вычислениями учащиеся могут совсем упустить из вида природу тех явлений, которые описы- ваются этими уравнениями. Надо укреплять в сознании учащихся, что источником познания служит эксперимент, и помогать выработ- ке материалистического представления о физике как науке о ре- альной природе. Хорошо известно, что процессы в природе протекают весьма сложно: все явления связаны между собой в один общий, многооб- разный поток и нет отдельных явлений в «чистом виде», как пока- зывается в классе на уроках. Однако это не может служить отри- цанием демонстрационных опытов как полезного и даже необхо- димого средства для обучения, а только заставляет предъявлять большие требования к учебному эксперименту. Чем тщательнее будет разработана методика и техника демонстраций, чем совершен- нее, искуснее будут «заглушены» сопутствующие второстепенные явления, отвлекающие внимание учащихся от основного, тем выра- зительнее, убедительнее и нужнее будут демонстрационные опы- ты как средство обучения. § 2. ТРЕБОВАНИЯ К ДЕМОНСТРАЦИОННЫМ ОПЫТАМ Демонстрационные опыты, как уже говорилось выше, проводят- ся в классе из 30—40 учащихся. Содержание опытов должно с пол- ной ясностью доводиться до понимания каждого из присутствую- щих на уроке. Это заставляет предъявлять к таким опытам своеоб- разные методические и технические требования, которые в основном сводятся к следующему. Размеры приборов, их расположение и освещение должны всег- да обеспечивать достаточную видимость (обозреваемость) основных частей и деталей установки для всех учащихся, со всех мест класса. Без этого опыт теряет свое значение, становится бес- полезным и чаще всего приводит сначала к нарушению дисцип- лины, а затем к потере интереса. Необходимая видимость достигается соответствующим констру- ированием приборов, правильным расположением их в установ- 8
ках. Кроме того, применением подходящего фона, подсвета, различ- ных способов и приемов проецирования, а также сопоставлением начального и конечного состояния опыта. Следует позаботиться о наглядности и вырази- тельности опытов, чтобы каждый ученик непременно заме- тил демонстрируемое явление. Для этого следует собирать по воз- можности наиболее простые установки, в которых четко, как бы само собой, выделялись бы основные части. Надо применять яркую, контрастную раскраску деталей приборов, выбирать для каждого случая наиболее подходящие индикаторы, стремиться к получению максимальной интенсивности демонстрируемых явлений. Опыты должны быть всегда убедительными, не вызы- вать каких-либо сомнений в их справедливости и не давать повода к неправильному толкованию. Поэтому все побочные явления, со- провождающие основное, должны быть сведены к минимуму, сде- ланы незаметными и не отвлекающими . внимания от главного. Если такие условия по тем или иным причинам создать невозмож- но, то подготавливают дополнительный опыт, показывающий не- значительное влияние побочного явления на результаты основного опыта. Каждый опыт, показываемый в классе, должен быть надеж- н ы м, т. е. тщательно подготовленным, неоднократно испытанным, обеспечивающим удачу. Неудавшаяся демонстрация нарушает ход урока, всегда вызывает разочарование и даже может зародить недоверие к учителю. Демонстрации должны производить действие не только на ум- ственное восприятие, но и на воображение учащихся, возбуждать у них интерес, чтобы можно было по ходу урока быстро моби- лизовать общее внимание класса на некоторые небольшие промежут- ки времени. Поэтому надо показывать опыты эмоционально. Как правило, демонстрационные опыты должны отличаться кратковременностью, чтобы не затягивать урока. Учителю необходимо обращать внимание на темп выполнения опы- тов: он всегда должен соответствовать темпу восприятия учащимися демонстрируемого материала. В случае необходимости опыт мож- но повторить несколько раз, например, когда надо устранить пред- положение о случайности показанного явления (опыт 9 — опреде- ление ускорения при свободном падении) или когда не все учащи- еся успевают увидеть необходимые детали (опыт 8 — с трубкой Ньютона). Чтобы можно было запомнить основные моменты, нельзя пере- гружать урок большим числом демонстраций и создавать впечатле- ние калейдоскопичности. Каждый из показываемых опытов должен быть содержательным, хорошо и изящно офор- мленным. При подготовке и проведении опытов надо стремиться к мини- мальной затрате средств и энергии при максимальной методичес- 9
кой ценности эксперимента и обязательно соблюдать общеизвест- ные, описанные в литературе, правила по технике безо- пасности1. Во время изложения учебного материала подготовленными для эксперимента установками можно воспользоваться различно: сна- чала показывать опыты, а потом переходить к их объяснению или, наоборот, перед опытом проводить относящиеся к нему объясне- ния. В большинстве случаев первый способ оказывается лучшим. Он позволяет от наблюдений за опытом (или несколькими связан- ными между собою опытами) подвести учащихся сначала к неко- торым самостоятельным несложным выводам, а затем и к более ши- роким теоретическим обобщениям. Однако, в некоторых отдельных случаях, когда, например, установка для опыта сложна, второй способ оказывается целесообразнее: установка или сложный при- бор объясняется по частям, а затем они приводятся в действие (опыт 2 — измерение скорости движения спидометром; опыт 56 — оптическая запись колебательного движения и др.). Очевидно, наилучшим в методическом отношении' является та- кое решение, когда объяснения проводятся параллельно с экспе- риментом. Объяснения и эксперимент логически сливаются в один общий неразрывный процесс в виде увлекательной и убедитель- ной беседы учителя с учащимися. Демонстрационные опыты'в средней школе чаще всего под- готавливает и показывает на уроке сам учитель. Однако в ряде случаев ему требуется помощник — лаборант. Там, где лабо- ранта нет, надо привлекать для помощи 1—2 учеников, наиболее способных к такой работе, и постепенно воспитывать из них лабо- рантов. Это помогает развитию учащихся и приносит пользу делу. § 3. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ ОПЫТОВ Методика учебного физического эксперимента и его техника почти неразрывны. Между ними трудно наметить ясную границу, поэтому целесообразно рассматривать их вместе. Различать же сле- дует методику и технику подготовки эксперимента от методики его применения в учебном процессе. Когда ставится вопрос о том, в каком месте урока следует по- казать тот или иной опыт или провести лабораторную работу, чтобы наряду с другими приемами подчеркнуть, раскрыть и сде- лать более убедительным изучаемый материал, то здесь речь идет вообще о методике преподавания физики. Эксперимент в этом слу- чае предполагается в законченном, отработанном виде, как гото- 1 Е. Я. Минченко в. О мерах безопасности при проведении опы- тов по физике, «Физика в школе», 1950, № 2. 10
вое звено, которое вводится в том или ином месте учебного про- цесса. Совсем другой, более конкретной и узкой становится задача, когда отрабатываются отдельные демонстрационные опыты или лабораторные работы, т. е. когда решается задача, как целесооб- разнее вообще проводить эти опыты в классе, как следует изменить и приспособить эксперимент к заранее заданным условиям. Здесь на первый план выступает методика и техника эксперимента. Допустим, что намечено изучение закона Бойля — Мариотта. С этой целью подбираются из описанного учебного эксперимента, например, демонстрационный опыт с сильфоном и техническим манометром (см. опыт 133, стр. 296) и всем известный лаборатор- ный опыт с трубкой Мельде. Решаются такие вопросы: с чего начи- нать изучение — с лабораторной работы или с демонстрационно- го опыта? Как лучше поступить — показать опыт и из наблюдений сделать вывод о закономерности или сначала рассказать и объяс- нить суть дела, пользуясь схематическими чертежами на классной доске, а затем проиллюстрировать сказанное опытом? Вычерчи- вать ли график зависимости объема от давления по данным резуль- татов демонстрационного опыта или давать график отдельно? Лег- ко видеть, что здесь методика и техника эксперимента отсутствуют вовсе, а решаются общеметодические вопросы. Но как только будет обращено внимание на постановку каждо- го опыта, на сочетание приборов в установке, на их расположение, то сейчас же придется решать ряд совсем других вопросов: о по- рядке демонстрирования (с чего удобнее начинать опыт — с давле- ний больше или меньше атмосферы); о выделении во время наблю- дения самого главного, основного (сильфона с винтовым прессом и технического манометра); на чем прежде всего надо сосредото- чить внимание учащихся (измерение объема и давления по соответ- ствующим шкалам с допустимыми погрешностями); что должно оставаться в тени как второстепенное (соединительные трубки) или быть выключено совсем из внимания учащихся (шарнирное устройство у винтового пресса) и т. д. Вот это и есть предмет ме- тодики и техники постановки и проведения эксперимента, которым в этой книге уделено основное внимание и что представлено в описа- нии каждого опыта. Методика же применения эксперимента в про- цессе обучения лишь намечена; она выражена главным образом в подборе и последовательности расположения опытов в каждом из параграфов. В средней школе применяются два способа для доведения де- монстрационных опытов до учащихся и осуществления той или иной методики эксперимента. Один из них можно считать основ- ным; он состоит в подготовке и показе установок и опытов для не- посредственного обозрения. Другой же заключается в проециро- вании тех или иных приборов и опытов на экран для наблюдения за их изображениями.
При подготовке опытов для непосредственного обозрения, как правило, пользуются специально сконструированными для этой цели демонстрационными приборами. Сюда относятся и изме- рители, и индикаторы, и приборы на отдельные темы. Они отли- чаются от других приборов достаточными размерами, наглядным расположением наиболее важных частей, контрастной раскраской деталей, выразительными шкалами, большими стрелками - ука- зателями и т. п. В этих приборах заранее предусмотрено обеспе- чение основного требования — видимости. Однако при монтировании установок, в которых применяется несколько приборов, нередко приходится дополнительно прибе- гать к различным техническим приемам, чтобы демонстрация пол- ностью отвечала перечисленным ранее требованиям (см. § 2). Эти приемы сводятся к следующему: 1) выбору плоскости расположения приборов — вертикальной или горизонтальной; 2) применению освещения и фона — черного, белого или мато- вого просвечивающего; 3) подбору подходящих индикаторов для наилучшего выявле- ния наблюдаемого процесса. Обычно установки монтируются с помощью штативов и подста- вок в вертикальной плоскости, т. е. в наиболее удобном располо- жении для обозрения (см., например, рис. 42, 46, 86). При этом стремятся выявить главное, основное и убрать все лишние, от- влекающие внимание детали, т. е. сделать установку вполне до- ступной для понимания при самом минимальном пояснении учителя. В редких случаях, когда по условиям опыта такое вертикаль- ное размещение невозможно и установка располагается в плоско- сти крышки стола, то применяют плоское зеркало достаточных раз- меров. Его берут с двух сторон за рамку и располагают над установ- кой под углом к плоскости стола, близким к 45°. Чтобы изображение установки могли увидеть все учащиеся, зерка- ло, не меняя угла наклона, \ медленно повертывают вокруг вертикальной оси сначала в одну, а затем в другую сторо- ну (рис. 1). Иногда при сборке уста- новок без второстепенных де- талей обойтись нельзя. Тог- да стремятся сделать так, чтобы они были менее замет- ными, а основное в наблю- Рис. 1. Демонстрация приборов с помо- Даемом опыте выделялось рез- щыо плоского зеркала че. С этой целью применяет- 12
ся соответствующий фон. Например, черный штатив на фоне клас- сной'доски становится мало заметным для учащихся, а демонстра- ционный манометр с белой шкалой, наоборот, будет четко выде- ляться. Если эти предметы рассматривать на белом фоне, то кар- тина будет обратной. Большое значение для увеличения видимости имеет освещение. При ярком боковом освещении и сравнительно мелкие детали ста- новятся хорошо заметными: пылинки, дым, пары — в воздухе; частицы краски, пузырьки воздуха — в жидкости. Кроме того, пучком света можно сосредоточить внимание учащихся на самых главных частях установки. Например, бывает полезно применить иногда дополнительное освещение (подсвет) того или иного измери- тельного прибора, чтобы при выполнении опыта даже незначитель- ное перемещение стрелки по шкале заметили все учащиеся в классе. Для выразительности опытов имеет значение подбор индикато- ров, по которым судят о протекаемом явлении. Индикаторами мо- гут служить: электронный осциллбграф, стрелочные измеритель- ные приборы, электрическая лампочка, окрашенная жидкость, пламя, дым, пар, пузырьки газа в жидкости, звук и т. д. Предпочтительнее, особенно в начале обучения физике, поль- зоваться индикаторами первичными. Например, всем известно, что нагревание зачастую приводит к воспламенению. Поэтому вспы- шка в воздушном огниве (опыт 138) ни у кого не вызывает сомне- ния в нагревании воздуха при быстром сжатии. Если же для этого опыта применить в качестве индикатора термопару с гальваномет- ром, что вполне возможно, то учащимся предварительно надо по- казать факт получения тока при нагревании термопары. Другой пример. В опыте 160 (см. рис. 385) удлинение и сокра- щение проволоки показывается при помощи блока со сравнитель- но длинной стрелкой, перемещающейся по шкале. Очевидно, здесь можно воспользоваться и пучком света, а об изменении длины про- волоки судить по перемещению «зайчика» на экране. Второе было бы менее целесообразным потому, что сложнее и требует предвари- тельных знаний об устройстве и действии «оптического рычага». Однако в старших классах средней школы, где связи между многими основными явлениями учащимся уже знакомы, подбор индикаторов значительно упрощается. В крайнем случае им показы- вают предварительно такие связи, а затем на этом основании при- меняют и индикатор. Таким образом вводится, например, электрон- ный осциллограф до изучения подробностей его устройства и дей- ствия. Ко второму способу показа опытов—проецированию—прихо- дится прибегать главным образом потому, что некоторые необхо- димые для изучения явления протекают в очень малых масштабах и увеличить их не представляется возможности (мыльные пленки, капиллярные явления, рост кристаллов и т. д.). Кроме того, про- ецированием пользуются, когда надо в увеличенном масштабе пока- 13
зать всем учащимся миниатюрный прибор, рисунок, схему, чертеж. Обычно применяются следующие виды проецирования: верти- кальная и горизонтальная диапроекция, эпипроекция и теневая проекция. Все они обеспечиваются специальной проекционной ап- паратурой, выпускаемой Главучтехпромом, и отдельными прибо- рами для диапроекции. Последние изготавливаются из прозрачных материалов (чаще из органического стекла) и имеют малые размеры: контуры этих приборов должны вписываться в плоскость линзы конденсора проекционного аппарата. Особое место занимает среди диаскопического проецирования микропроекция. В курсе физики средней школы к ней приходится прибегать сравнительно редко, и специального приспособления для этой цели Главучтехпром в настоящее время не изготовляет. Выпущенная же им ранее в небольшом количестве микроприставка к проекционному аппарату встречается лишь в малом числе школь- ных физических кабинетов. Однако микропроекцию можно без каких-либо сложных при- способлений получить, воспользовавшись одним из выпускаемых в настоящее время микроскопов — школьным или биологическим и типичным для средней школы проекционным аппаратом ФОС-115 (см. § 5). Значительно проще эпископическое и теневое проециро- вание. Первое из них проводится с помощью выпускаемого Глав- учтехпромом эпидиаскопа, который позволяет показывать на экра- не с необходимым увеличением графические материалы из книг и журналов, небольшие плоские приборы, а также диапозитивы. Для второго (теневого) проецирования достаточно иметь закры- тый от аудитории источник света, близкий к точечному (электри- ческая автомобильная лампочка, электрическая дуга) и экран. Расстояние от источника света до проецируемого объекта и экрана подбирается экспериментально: увеличенное теневое изображение не должно выходить за пределы экрана и должно быть достаточно резким, чтобы можно было видеть все детали. § 4. ОБОРУДОВАНИЕ КЛАССА-АУДИТОРИИ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ОПЫТОВ Серьезные требования, которые в настоящее время предъяв- ляются к учебному эксперименту по физике, заставляют иметь в физическом кабинете каждой средней школы специальное оборудо- вание для проведения демонстраций. Без такого минималь- ного основного оборудования можно показать лишь немногие из обязательных опытов, описанных в этой книге. Центральным местом, где проводятся демонстрационные опыты в классе-аудитории, служит демонстрационный стол размером приблизительно 300 X 80 см и высотой 80 см. Для удобства обо- 14
Рис. 2. Оборудование класса-аудитории для демонстрации опытов зрения стол приподнимается над полом па 25—30 см, т. е. устанав- ливается на небольшой помост (рабочее место учителя) перед на- стенной классной доской (рис. 2). К столу с одной стороны должен быть подведен через распре- делительный щит электрический ток, с другой — водопровод с раковиной и сливом, а в середине стола под крышкой — газ с двой- ным краном. Ток нужен переменный и постоянный 127 или 220 в с возможностью плавного регулирования напряжения от нуля до максимума. Кран водопровода следует поместить немного выше крышки стола и иметь для него насадку, позволяющую надевать резиновые трубки разного диаметра. Газ здесь используется главным образом для нагревания и может быть заменен другим источником тепла, если в школьном здании ввода газа нет. Можно обойтись с меньшим удобством и без водопровода, если воспользоваться небольшим баком с отвод- ной резиновой трубкой и ведром для слива воды. Вблизи от демон- страционного стола следует разместить управление шторами для затемнения окон, выключатель электрического освещения класса- аудитории и дистанционное включение и выключение кинопроектора. Проекционный экран размером приблизительно 160 X 140 см удобнее всего иметь постоянный, несвертывающийся, подвешенный наклонно над классной доской. На него можно проецировать при- боры и диапозитивы проекционным аппаратом, помещенным пря- мо на демонстрационном столе, и кинофильмы — киноаппаратом, расположенным в конце класса на специальном столике. 15
На этот экран проецируются в виде тени и волны на воде. С этой целью в середине стола (со стороны классной доски), в его подстолье, монтируются две прочные выдвижные рейки. На них во время опыта и устанавливается волновая ванна со стеклянным дном, а под ней — «точечный» источник света. Если ванна новой конструкции с вложенным на дно плоским зеркалом, то волны де- монстрируются на экран прямо со стола (см. рис. 161). В некоторых школах имеются саморегулирующиеся по верти- кали (подвесные) зеркальные гальванометры высокой чувствитель- ности. Такой гальванометр целесообразно установить на задней стенке класса-аудитории и осветитель наладить так, чтобы доста- точно яркий «зайчик» от поворачивающегося зеркальца падал на шкалу, расположенную на стене между классной доской и проек- ционным экраном, как показано на рисунке 2. Шкала вставляется в пазы и может легко передвигаться в них для удобства установки на нуль. От зажимов гальванометра и от осветителя следует сделать проводку к небольшому щитку, расположенному рядом с классной доской, чтобы можно было пользоваться гальванометром с рабоче- го места учителя. На этом щитке удобно сосредоточить и выключа- тель электрического освещения, о котором говорилось выше. Если такого гальванометра в школе нет, то его с успехом может заменить переносный чувствительный проекционный гальванометр, описанный на стр. 272. Он не требует какой-либо специальной ус- тановки, всегда готов к работе и может применяться почти при пол- ном освещении аудитории. В демонстрационном столе полезно иметь два небольших шкафчика и один выдвижной ящик, сделанный по стандартным размерам учебных стенных таблиц. В шкафчиках сле- дует хранить набор глу- хих ящиков-подставок раз- ного размера, которые бы- вают необходимы для удоб- ного расположения прибо- ров в различных установ- ках и особенно при сбор- ке электрических цепей (рис. 3). В ящике же стола удобно помещать стенные таблицы, приготовленные для данного урока. Во время рассказа учи- теля таблицы поочередно Рис. 3. Демонстрационная установка с применением ящиков-подставок 16
Рис. 4. Панель с классными чертежными инструментами вынимаются из стола и с помощью зажимов с крюч- ками подвешиваются на классной доске. С этой целью и для некоторых опытов, протекающих в плоскости классной доски, над ней надо укрепить по всей длине круглый метал- лический пруток или труб- ку с передвижными муф- тами и ввернутыми в них небольшими крючками. Сбоку классной доски, на ее раме, хранится указ- ка; она вставляется в вер- тикальном положении в пружинящие зажимы. Под доской, меж- ду ее рамой и полом, подвешивается небольшая деревянная панель, на которой располагаются классные чертежные инструменты: линейка, угольники, транспортир и циркуль (рис. 4). Таким образом, на своем рабочем месте учитель может свобод- но пользоваться электрическим током, водой, газом, затемнением окон, электрическим освещением, проекционным экраном, клас- сными чертежными принадлежностями. Он может с удобством со- бирать все необходимые установки, применять различные виды диапроекции и стенные таблицы. При таком общем оборудовании лишь в редких случаях при- ходится прибегать к приборам вне рабочего места учителя. Напри- мер, для эпипроекции приходится располагать эпидиаскоп во вто- ром ряду ученических столов (считая от демонстрационного стола), чтобы проецируемое изображение уложилось на наклонном экра- не; или устанавливать небольшой переносный экран вдали от де- монстрационного стола для получения на нем спектра должного размера, когда пользуются призмой прямого зрения; или собирать установку с диполем в другом конце класса-аудитории для приема сигнала от генератора электромагнитных колебаний. В основном оборудовании класса-аудитории физического ка- бинета иногда применяются некоторые автоматические устройства. Можно, например, смонтировать затемнение так, чтобы шторы за- крывались и открывались с помощью электродвигателя и при этом автоматически включалась и выключалась сигнальная лампочка или полное электрическое освещение. Можно с помощью электро- двигателя опускать и поднимать проекционный экран и при этом автоматически включать эпидиаскоп, проекционный аппарат или кинопроектор. Можно сделать приспособление для автоматиче- ской смены диапозитивов в проекционном аппарате и др. Однако надо иметь в виду, что всякое, даже не очень сложное, автоматиче- 17
ское устройство связано со значительными материальными затрата- ми. Любое автоматическое приспособление должно работать в школь- ных условиях безукоризненно и служить примером для пропаган- ды идеи автоматизации. Следовательно, такое приспособление должно быть выполнено отлично, из первоклассных материалов и обеспечено надлежащим уходом. Поэтому вводить автоматику в основное оборудование школьного физического кабинета можно толь- ко в случае, когда в этом есть настоятельная необходимость и воз- можно выполнение указанных выше условий. Сделанное здесь описание дает лишь общее представление об основном оборудовании класса-аудитории, которое надо иметь в физическом кабинете. Очевидно, кроме этого, необходим полный комплект демонстрационных приборов по всем разделам курса физики. Все это оборудование, включая и многие демонстрацион- ные приборы, с необходимой подробностью и указанием характе- ристик описано в специальной литературе1. Вновь же сконструи- рованные и пока малоизвестные учителям приборы подробно описа- ны в данной книге. Это сделано в начале отдельных глав и парагра- фов или в самих описаниях опытов, где применяются новые приборы. § 5. ПРИБОРЫ ОБЩИЕ ДЛЯ ВСЕХ РАЗДЕЛОВ КУРСА Из общих приборов, которые применяются в демонстрационных опытах всех разделов курса физики, в этом параграфе рассматри- ваются: проекционный аппарат, эпидиаскоп, осветитель для тене- вого проецирования и подсвета, настольный экран. Эти приборы требуют более или менее подробного описания потому, что из них два первых сравнительно сложные, универсальные, требующие специального ухода и обращения, а другие — самодельные и без соответствующих указаний не могут быть изготовлены. 1. Проекционный аппарат ФОС-115, выпускае- мый промышленностью для физических кабинетов средней школы, показан со всеми деталями на рисунке 5. Для получения прямого изображения на наклонном экране объектив снабжен плоским зеркалом 6. Однако значительно удоб- нее вместо зеркала пользоваться так называемой оборотной приз- мой (рис. 6). Поэтому, если представится возможность, надо сде- лать такую замену. Кроме того, необходимо дополнительно при- обрести дуговую лампу и ртутную лампу ПРК, помещенную в корпусе с фильтром, пропускающим ультрафиолетовые лучи. Эти приборы приспособлены для установки в рейтеры на скамье проек- ционного аппарата, но продаются отдельно. 1 А. А. Покровский, Оборудование физического кабинета, М., Учпедгиз, 1958. Н. М. Ш а х м а е в, Оборудование кабинета физики с электротехнической лабораторией, М., изд. АПН РСФСР, 1962. 18
13 Рис. 5. Детали проекционного аппарата: / — скамья; 2 — корпус с кинопроекционной лампой; <? —автомобильная лампа; •/—-конденсор; 5 —объектив; 6 — зеркало; 7 — рамка для диапозитивов; 8 — диа- фрагма на ширме; 9 — щель раздвижная; 10 — столик на ножке; // — рейтеры; 12 — экран-ширма; /<? —приспособление для горизонтальной проекции; /‘/ — упорное кольцо Рис. 6. Оборотная призма в оп- раве: / — обойма; 2 — ось; 3 — планки; 4 — кольцо для посадки на объектив
Рис. 7. Схема установки для вертикальной диа- проекции: кондеисор;2 — предмет; 3 — объектив; 4 — оборотная призма н I Iй! ЖШШжЖЖвЖЖЖЖЖШ Рис. 9. Схема установ- ки для горизонтальной диапроекции 20
Установка для вертикальной диапроекции различных прибо- ров собирается из деталей проекционного аппарата по схеме, по- казанной на рисунке 7. Источник света помещается в главном фо- кусе первой линзы конденсора. Лучи света преломляются в ней и параллельными пучками падают на вторую линзу. Здесь они снова преломляются и выходят из конденсора в виде светового конуса. Проецируемый объект устанавливается перед конденсором вер- тикально на таком расстоянии, чтобы световой конус освещал его полностью. Затем, перемещая объектив вдоль оптической оси кон- денсора, получают на экране достаточно резкое, но обратное изо- бражение объекта. Чтобы получить изображение прямое, на объектив надевают оборотную призму, которая должна охватывать своей гранью весь пучок света, выходящий из объектива. Если пользоваться верти- кально расположенным экраном, прямое изображение удобно по- лучать с помощью недавно выпущенного промышленностью специ- ального объектива, у которого внутри корпуса заранее вмонтиро- вана малая оборотная призма. С меньшим удобством прямое изо- бражение можно получить и с помощью плоского зеркала вместо призмы. Тогда установка собирается по рисунку 8. Для горизонтальной диапроекции аппарат перестраивают и собирают установку по схеме, показанной на рисунке 9. Она от- личается от предыдущей лишь тем, что параллельные пучки света, выходящие из первой линзы конденсора, направляются на плоское зеркало, отражаются от него и попадают во вторую линзу, распо- ложенную теперь горизонтально. Эту линзу накрывают предохра- няющей стеклянной пластинкой, а на ней в горизонтальном поло- жении располагают объект. Чтобы получить с проекционным аппаратом микропроекцию, установку собирают по схеме, показанной на рисунке 10. При этом микроскоп крепится на скамье аппарата с помощью простого сто- лика, изготовленного самодельно из тонкой листовой стали по ра- бочему чертежу (рис. 11). Внешний вид собранной таким образом установки показан далее (рис. 376). 2. Эпидиаскоп Главучтехпрома, выпускаемый для сред- ней школы, схематически представлен на рисунке 12. У эпидиаско- па рефлектор 1 может перемещаться. Когда он находится в поло- жении, показанном на рисунке сплошными линиями, прибор служит в качестве эпископа. Свет от лампы и отраженный от рефлектора падает на находящийся внизу откидной столик с рас- положенным на нем плоским предметом 2, отражается от него и с помощью плоского зеркала 3 направляется в объектив 4. На экране получается изображение предмета. Если рефлектор перевести в другое положение, показанное на рисунке пунктиром, то прибор становится диапроектором Свет от лампы направляется в конденсор 5, освещает диапозитив и попадает в объектив 6, а затем на экран. 21
Рис. 10. Схема установки для вертикальной микропроекции: ./ — тепловой фильтр; 2 — предметный столик; 3 — предмет; -/ — объектив Рис. 11. Чертеж для изготовления столика Рис. 12. Схема эпи- и в эпидиаскопе: диапроекции — лампа с рефлектором; 2 — предмет: — плоское зеркало; 4 — объектив для эпилроекции; 5 — конденсор; 6 — объектив для диапроекции
К экрану 1— осветитель с лампой и конденсором; 2 — предмет; 3 — объектив Управление эпидиаскопом очень простое. Надо только за- ранее правильно установить и закрепить лампу: ее спираль должна помещаться в главном фокусе линзы конденсора. К эпископическому проеци- рованию иногда приходится при- бегать и без эпидиаскопа, на- пример при проецировании на экран в отраженном свете мыль- ных пленок, зеркальной поверх ности гигрометра и др. В таком случае установку собирают по схеме, показанной на рисун- ке 13. Рис. 14. Осветитель для теневого проецирования и подсвета: /—корпус осветителя, 2 - автомобиль- ная лампа; 3- цилппдрпческпя диафраг- ма,- 4 — вогнутое зеркало-рефлектор; 5 — осветитель на штативе 3. Осветитель простой Рис. 15 Экран для черного, белого конструкции (рис. 14), предназ- и просвечивающего фона каченный для теневого проеци- рования, относится к числу само- дельных приборов. Он с успехом может применяться и для подсве- та, а также в опытах с инфракрасными лучами. Осветитель состоит из жестяного корпуса 1 в виде небольшого цилиндра с отверстием в боку, автомобильной лампочки типа А-20 (6 в, 21 се) с патроном 2, съемной цилиндрической диафрагмы 3, имеющей три отверстия разного диаметра, и съемного вогнутого 23
зеркала-рефлектора 4, позволяющего получать почти параллель- ный пучок лучей. В верхней части цилиндрической диафрагмы имеется отверстие, предназначенное для вентиляции и охлаждения лампы. Ниже под этим отверстием помещена круглая пластинка, загораживающая прямой выход света от лампы наружу. Корпус осветителя укреплен на толстостенной металлической трубке, что дает возможность зажимать прибор в муфте штатива в различных положениях. Через эту трубку к патрону подводится шнур с вилкой на конце. Типичное расположение приборов для теневого проецирования показано далее, на рисунках 123 (стр. 119) и 350 (стр. 319). 4. Экран настольный, переносный, размером 50 X х 35 см (рис. 15) находит широкое применение в физическом каби- нете при настройке опытов и во время демонстрации установок, для которых служит фоном. Прибор состоит из рамки, внутри которой натянута полупрозрачная хлорвиниловая пленка, и двух легко вынимаемых фанерных филенок, которые защищают пленку с обе- их сторон. Одна из них покрыта черной матовой краской, а дру- гая — белой. Без филенок при ярком заднем освещении хлорвини- ловая пленка становится удобным фоном для рассматривания предметов «на просвет» (окраска жидкостей, цветное стекло и т.д.). Экран имеет одну ножку, которая позволяет ставить его вер- тикально в двух положениях — широкой или узксй стороной — в зависимости от установки, для которой экран служит фоном.
ГЛАВА I ОСНОВЫ МЕХАНИКИ § 1. ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ РАВНОМЕРНОЕ И РАВНОПЕРЕМЕННОЕ ДВИЖЕНИЕ При изучении законов кинематики и динамики пря- молинейного движения необходим демонстрационный прибор, на котором можно получить прямолинейное движение тела и каким- либо способом отмечать положения тела через равные промежутки времени. Этот прибор должен давать возможность учитывать или исключать из расчетов трение, измерять расстояния, движущую силу и массу тела. Трудности, связанные с осуществлением этих условий, привели к созданию большого количества приборов по кинематике и динамике, которые легко поддаются классификации по немногим важнейшим признакам. В основном они отличаются выбором движущегося объекта и способом определения его поло- жения через равные промежутки времени. В одних приборах исполь- зуются тележки, движущиеся по рельсам, в других — грузы на нити, перекинутой через блок, в третьих — шарик, катящийся по желобу. Гораздо разнообразнее способы определения положения тела в заданные моменты времени и выбор датчика времени. Известны способы, при которых положение тела на неподвижной плоскости отмечается падающими каплями, колеблющейся упругой Пластин- кой, вращающейся кисточкой, электрической искрой или дугой. Применяется также непрерывная запись движения тела на равно- мерно движущихся ленте, щите или цилиндре. В некоторых приборах положение тела в заданные моменты определяется остановкой его в эти моменты посредством специаль- ной задержки. Методический анализ известных приборов по кинематике и ди- намике прямолинейного движения показывает, что наиболее целе- сообразно применение трех приборов: 1) тележки на рельсах с не- прерывной записью движения на вращающемся цилиндре, 2) ма- шины Атвуда и 3) желоба Галилея. 25
В описанных ниже опытах по «Основам механики» первый при- бор применяется для демонстрации Ji сравнения равномерного и рав- ноускоренного движений, для сравнения двух равномерных движе- ний с различными скоростями и двух ускоренных движений с раз- личными ускорениями, для выяснения понятия о мгновенной ско- рости. Исключительно ценная особенность этого прибора, состоит в том, что он позволяет долго наблюдать кажущееся движение от- резков записанной винтовой линии, непрерывно повторяющей крат- ковременное движение тележки. На машине Атвуда наиболее наглядно можно определять мгно- венные скорости в различные моменты времени, ускорение движе- ния, показать, что пути, проходимые телом в равноускоренном движении, пропорциональны квадратам времени. С помощью маши- ны Атвуда с наибольшей убедительностью можно продемонстри- ровать опыты, подводящие к установлению второго закона Ньюто- на. В сочетании с достаточно точным хронометром электрифици- рованная машина Атвуда позволяет установить закономерности свободного падения и определить его ускорение. Желоб Галилея благодаря исключительной простоте очень полезен при решении таких экспериментальных задач, как опре- деление средней и конечной скорости, определение ускорения в равноускоренном движении, определение ускорения при измене- нии высоты подъема желоба. Применение не одного, а трех выбранных приборов имеет опре- деленное методическое преимущество: учащиеся изучают прямоли- нейное движение, не связывая его с каким-либо одним конкретным объектом. В одном случае — это движение тележки под действием опускающегося груза, в другом —движение шарика под действи- ем составляющей силы тяжести, в третьем — движение системы грузов под действием силы тяжести перегрузка. 1. Прибор по кинематике и* динамике с вращающимся цилиндром К сожалению, этот прибор выпускался и поступал в продажу с большими дефектами. Однако в школьной слесарной мастерской эти дефекты легко устранимы. Кроме выравнивания и надежного скрепления рельсов, регулирования (а возможно, и протачивания) скатов тележки и других мелких исправлений, необходимо изго- товить новое записывающее устройство. Испытания показали, что фетровое перо, прилагаемое к прибору, не успевает отдавать тушь при сравнительно быстром движении тележки и цилиндра, и запись по всей длине цилиндра не получается. Лучше применить струйку туши (этот метод предложен самим автором прибора1), изменив несколько конструкцию струйного аппарата (рис. 16). 1 И. В. Румянцев, Демонстрации при изучении кинематики и за- конов динамики в средней школе, Учпедгиз, 1957. 26
Новый струйный аппарат представляет собой жестяной бачок диаметром 50 мм и высо- той 35 мм с припаянным к его дну коническим стержнем, кото- рый вставляется в рассверлен- ное соответствующим образом отверстие у края тележки. В крышку бачка впаян короткий отрезок трубки; в нее завин- чивается (на кожаной проклад- ке) патрубок для насаживания резиновой трубки с грушей. В „ _ боковую стенку бачка впаяна ла- Рис’ 16- Бачок струйного аппарата тунная трубка, доходящая ниж- ним концом почти до дна. В верхний ее конец, отогнутый горизон- тально, впаян капсюль от головки примуса. В бачок наливают тушь немного больше половины его объема и на патрубок насаживают гибкую резиновую трубку с грушей. При нажиме на грушу тушь сразу же под давлением воздуха на- чинает вытекать тонкой струйкой через отверстие капсюля, по- падает на вращающийся цилиндр и оставляет на нем отчетли- вую линию. При отпускании груши вытекание мгновенно пре- кращается. Таких бачков надо изготовить два: для черной и для красной туши. В описании, прилагаемом к прибору, рекомендуется устанав- ливать прибор у края демонстрационного стола так, чтобы шнур с нагруженными ведерками свешивался над полом. Гораздо удобнее помещать прибор на середине стола, а нить с грузами перекинуть через блок, закрепленный на штативе (рис. 17). При такой установ- ке оба груза хорошо видны учащимся, а учителю легче регулиро- вать действие прибора. Вместо ведерок удобнее применять два одинаковых набора цилиндрических съемных грузов. В набор вхо- дит один груз высотой 20 мм, два груза вы- Рис. 17. Установка прибора по кинематике и динамике на демонстрационном столе А 6 27
Рис. 18. Держатель для грузов и способ его подвязывания сотой 10 мм, один груз вы- сотой 5 мм и пять гру- зов толщиной по 1 мм. Все грузы имеют одинаковый диа- метр — 40 мм. В центре каждо- го груза есть отверстие диамет- ром 6 мм и сделанная по радиу- су прорезь шириной 3—4 мм* 1. Держатель для грузов изго- тавливают так, как показано на рисунке 18. Такой держатель очень удобен: его можно быстро подвязывать на любой высоте. Следует заметить, что грузы в этом приборе выполняют лишь роль двигателя, а для измере- ния силы, действующей на те- лежку, применяется специаль- ный динамометр, включаемый между тележкой и грузами. Благодаря этому вес грузов, сила трения и момент инерции бло- ков при опытах с прибором в расчеты не входят. 2. Машина Атвуда Применяемая в описанных ниже опытах машина Атвуда (рис. 19) отличается от обычной тем, что высота градуированной части ее стойки всего 86 см. Поэтому машину удобно ставить на демонстра- ционном столе. Кроме того, прибор отличается и разными приспо- соблениями. Пусковой столик а и передвижной столик б прибора снабжены электрическими контактами, автоматически включаю- щими и выключающими секундомер при пуске и остановке грузов. Для пуска грузов служит рычажок в, связанный с пусковым механизмом столика а прочной капроновой тягой. К передвижному столику прилагается стальной шарик и таре- лочка для гашения удара в опытах с падением шарика (рис. 20). Держатель для блока (рис. 21) в приборе сделан съемным. На нем установлен блок из органического стекла и электромагнит с якорем, зажимающим нить при включении тока. Набор грузов к прибору состоит из левого и правого грузов и двух перегрузков с массами 4,00 г и 2,00 г. Каждый из грузов (рис. 22) составлен из двух свинчивающихся цилиндров с полостя- ми, заполняемыми дробью. Заполнение цилиндров должно быть сделано самим учителем по следующему расчету. 1 При наличии достаточного количества листовой стали толщиной в 1 мм можно изготовить 50 одинаковых кружков и скрепить их в пакеты ука- занных размеров. 28
Рис. 19. Лицевая и обратная стороны настоль- ной машины Атвуда: а — пусковой столик, б — передвижной столик, в — пусковой рычажок Рас. 20. Устройство передвижного столи- ка п тарелочки для гашения удара шари- ка Рис. 21 Держатель для блока с электромаг- нитным зажимом и пусковой столик 29
Ф32 Рис, 22. Уст- ройство двой- ного груза Предположим, что грузы должны проходить весь путь в 80 см за 4 сек. Тогда ускорение дви- жения будет равно 10 Для получения этого . сек2 ускорения выберем перегрузок в 4 г и опреде- лим массу всей движущейся системы по формуле F = та. Если обозначить через т„ — массу перегрузка, М — массу двух грузов с перегрузком и эквивалент- ную массу блока, а— заданное ускорение, то m.,g = Ма. Подставив числа, получим 4-S80 = ЮМ, откуда масса М всей системы равна 392 г. Блок является частью движущейся системы. Если вычислить момент инерции / блока, то мож- но определить его эквивалентную массу Вычитая эквивалентную массу блока из массы всей системы, получим массу грузов с перегрузком. Момент инерции блока / = l-m6R\ эквивалентная масса тэ= — э 2 . Масса цилиндрического блока из органического стекла плот- ностью 1,57 , диаметром 12 см и толщиной 0,5 см равна см3 т6 = 3,'4-36-0,5.1,57 = 88,7 (г). Отсюда эквивалентная масса блока тэ як 44 г. Таким образом, масса левого и правого грузов вместе с пере- грузком будет равна 392 г — 44 г = 348 г, а на долю каждого груза приходится —= 172 г. 2 30
s' v\ / Блок ^Эквивалентная I ° 1 масса НН г ! ч Л j 'Перегрузок И,00 г I ' I » 7л_ Левый Правый 7а, г верхний верхний с (1е1ый Правый Qp нижний нижний У0(^ Рис. 24. Перегрузки к машине Атвуда Рис. 23. Распределение масс в системе грузов Каждый из грузов, как было сказано выше, состоит из двух скреп- ляющихся вместе цилиндриков. Это сделано с той целью, чтобы можно было при установлении зависимости ускорения от массы изменять массу движущейся системы в два раза. Тогда общая мас- са системы распределится так, как это показано на рисунке 23. Нагружая высверленные полости цилиндриков мелкой дробью (№ 10), доводят их массы до указанных величин, с точностью до 0,1 г, на лабораторных весах. Затем верхние грузы подвешивают на капроновой нити толщиной 0,4 мм, перекинутой через блок, и приступают к последней операции — компенсации трения. Эта операция сводится к перекладыванию дроби из левого ци- линдрика в правый. Ее можно считать законченной, если оба ци- линдрика, теперь уже с несколько различными массами, подвешен- ные на нити, сами собой не приходят в движение. Однако при под- талкивании левого груза вверх они продолжают двигаться равно- мерно с той скоростью, которую им сообщили. Такую же операцию проделывают с нижними цилиндриками. Для этого их привинчивают к верхним цилиндрам и перекладывают дробь из левого нижнего цилиндра в правый, добиваясь равномер- ного движения всей системы при ее подталкивании в том же направ- лении. После регулирования все четыре цилиндрика необходимо снабдить метками П (правый) и Л (левый). Оба перегрузка 4,00 г и 2,00 г вырезаются из листового ме- талла, как показано на рисунке 24. При замене большего перегруз- ка меньшим движущая сила уменьшается вдвое. Одновременно уменьшается и масса движущейся системы. Однако это уменьшение настолько незначительно (0,5%), что нет необходимости вводить меньший перегрузок в общую массу системы, как это сделано с большим перегрузком. 31
Рис. 25. Электромехани- ческий секундомер заво- да «Физэлектроприбор» 3. Демонстрационные измерители времени В опытах, в которых применяется при- бор по кинематике и динамике с вращаю- щимся цилиндром, последний служит изме- рителем времени, так как вращается с по- стоянной скоростью 5 об/сек. Правильность соотношения диаметров шкивов '“двигателя и цилиндра проще всего определить тахо- метром. При отсутствии тахометра можно нанести на цилиндр по его окружности на равных расстояниях 20 черных меток и наблюдать вращение цилиндра, осветив его люминесцентной лампой. Если метки будут казаться неподвиж- ными, период вращения равен 0,2 сек. При более или менее быстром перемещении наблюдаемой картины в ту или другую сторону — период вращения больше или меньше указанной величины. В этих случаях ошибка может быть исправ- лена подбором толщины резиновой трубки, насаженной на вал электродвигателя, или ее подтачиванием наждачной бумагой. На- до иметь в виду, что добиваться большой точности от этого изме- рителя нет необходимости, так как во всех описанных ниже опы- тах требуется лишь постоянство скорости вращения цилиндра. В опытах с машиной Атвуда необходимо иметь более точный измери- тель времени, например электромеханический демонстрационный секундомер (рис. 25) или секундомер электронный (рис.26)1. Устройство электронного секундомера было подробно описано в журнале «Физика в школе», 1962, № 3. Однако с целью превраще- ния этого прибора в автоматический датчик времени (реле време- ни высокой точности) в его конструкцию внесены некоторые изме- нения: 1) на передней стенке прибора (справа) установлена доба- вочная пара зажимов, каждый из которых через сопротивление 400 ком соединен с одним из анодов лампы последнего триггера 2) вдоль верхнего края передней стенки установлено десять кно- пок; при нажатии на каждую кнопку левая сетка лампы соответ- ствующего триггера соединяется с корпусом прибора, вследствие чего зажигается неоновая лампочка. Для автоматического управления исполнительным механиз мом (электромагнитный зажим машины Атвуда или другие устрой ства) служит приставка, изображенная на рисунке 26 справа. Ка) видно из схемы, вычерченной на крышке приставки, в ней уста 1 Электромеханический секундомер в течение нескольких лет выпуска завод «Физэлектроприбор», и многие школы его ймеют. Электронный се кундомер, несколько отличающийся по конструкции от описанного здесь готовится к выпуску на том же заводе. 32
новлено поляризованное двухпозиционное реле РП-4, действую- щее симметрично (без преобладания). Действие автоматического электронного датчика времени состоит в следующем. Допустим, что надо измерить путь, проходимый грузами машины Атвуда за 2,00 сек. Для этого выключателем а выключаем цепь электро- магнитного зажима, приводим грузы в исходное положение и вновь замыкаем цепь. Зажим удерживает грузы. Нажатием соответствующих кнопок вводим программу, т. е. зажигаем лампочки: 5,12; 2,56; 0,32; 0,16; 0,04; 0,02 и 0,01. Тогда сумма чисел, отмеченных незажженными лампочками, будет равна 2,00. При замыкании цепи обмотки реле выключателем б якорь ре- ле перебрасывается и, выключив электромагнитный зажим машины Атвуда, одновременно включает секундомер. Грузы приходят в движение. Когда секундомер отсчитает 2,00 сек, все его лампочки, в том числе и лампочка последнего триггера, гаснут. При этом в обмотке реле направление тока меняется на обратное и якорь вновь перебрасывается вправо, выключая секундомер и включая зажим машины Атвуда. Последний зажимает нить, и грузы останавлива- ются. Пройденный путь отсчитывают по делениям на приборе. Такое же измерение можно осуществить, пользуясь в качестве датчика времени обыкновенным метрономом. В этом случае можно воспользоваться только приставкой (без самого секундомера), в которой будет использован источник тока для питания электро- магнитного зажима и выключатель. При такой постановке опыта зажим выключается и включается не автоматически, а вручную в такт с начальным и конечным ударами метронома. Это неизбежно вносит ошибку, зависящую от самого экспериментатора. Оказы- вается, однако, что при некоторой тренировке эта ошибка мала и результаты опытов получаются вполне удовлетворительными. Метроном также очень удобен в опытах с желобом Галилея. Применение тех или иных датчиков времени полезно в тех слу- чаях, когда независимым переменным является время, а путь — его функция. В таких случаях величину пути получают из опыта, в котором время заранее задано, как это сделано в приведенном выше примере. Рис. 26. Электронный секундомер-датчик времени с приставкой для автоматической остановки движения 2 Заказ 480
ипыт Равномерное прямолинейное движение 1 Оборудование: 1) прибор по кинематике и динамике, 2) шта- тив универсальный, 3) блок на стержне, 4) тушь черная и красная, 5) метр демонстрационный. Этот опыт позволяет показать равномерное движение, сравнить два одновременно наблюдаемых равномерных движения и опреде- лить их скорости, ознакомить учащихся с устройством и дейст- вием довольно сложного прибора, с которым им придется иметь де- ло в последующих опытах. Установка для опыта изображена на рисунке 17. Ее подготов- ка состоит в заполнении бачков разведенной тушью и в подборе двух грузов. Верхний груз уравновешивает силы трения, добавоч- ный нижний груз служит для разгона тележки на участке АБ. Чтобы показать назначение грузов, с тележки снимают шнур (его удобно зацепить за крючок под упорной пружиной). Отводя тележку к левому упору, слегка толкают ее вправо. Трение замед- ляет движение тележки, и она останавливается. Прикрепив к тележке шнур, отводят ее в положение Б и пока- зывают, что сила натяжения шнура, создаваемая верхним грузом, меньше силы трения покоя и не может привести тележку в движе- ние (при этом нижний груз касается стола). Далее слегка подтал- кивают тележку; теперь она катится равномерно, так как трение при движении уравновешено натяжением шнура. Этот опыт повторяют, показывая, что скорость движения те- лежки в каждом случае может быть любой и зависит от толчка. После этого подводят тележку вплотную к левому упору и обраща- ют внимание на нижний груз, который оказывается теперь прйпод- нятым над поверхностью стола. Действие этого груза должно за- менить производимый рукой толчок, который не может быть всег- да одинаковым. Отпустив тележку, показывают ее разгон на коротком отрезке АБ и дальнейшее равномерное движение вдоль цилиндра. Далее приводят цилиндр во вращение. Для этого дают ему не- большой толчок и включают электродвигатель. Учащимся сообща- ют, что скорость вращения цилиндра сохраняется постоянной и равной 5 об/сек. В проведении этих предварительных опытов не следует про- являть торопливость: учащиеся должны хорошо разобраться в устройстве и действии прибора, чтобы понять описанные ниже ос- новные опыты. 1. Устанавливают на тележке бачок с черной тушью; присое- диняют к нему резиновую трубку с грушей; подводят тележку к левому упору и, взяв грушу в правую руку, отпускают тележку. В момент, когда бачок поравняется с левым краем вращающегося 34
илиндра, слегка сжимают грушу, ведя ее все время вровень с те- ежкой. В момент остановки тележки грушу отпускают. - Учащиеся видят движущуюся винтовую линию, вычерченную а поверхности цилиндра. Это наблюдение должно быть достаточ- о длительным, поэтому не следует спешить останавливать цилиндр. Характерная особенность такого способа записи движения состо- т в том, что в отличие от других способов она не только фиксиру- т положения тележки в любые моменты времени, но и делает само рижение тележки как бы непрерывно повторяющимся. Для под- верждения этого полезно вновь пустить тележку на фоне вращаю- 1егося цилиндра с полученной записью и предложить учащимся равнить движение тележки с кажущимся движением- винтовой :инии. После этого можно сделать следующие выводы: путь, равный асстоянию между витками, тележка пробегает за — сек, а рас- 5 тояния между соседними витками на цилиндре всюду одинаковы, ледовательно, в равные промежутки времени тележка проходит динаковые пути; если измерить расстояния, пройденные за каждые — сек, то и в этом случае они оказываются равными. Эти выводы юдготавливают учащихся к определению равномерного движения :ак движения, при котором тело в любые равные промежутки вре- 1ени проходит пути одинаковой длины. 2. Добавляют к нижнему грузу подобранные заранее грузы. 1а тележке устанавливают бачок с красной тушью и, не стирая [режней записи, повторяют опыт. Теперь скорость равномернсго ;вижения тележки больше. Учащиеся в течение некоторого време- [и следят за одновременным движением черной и красной вин- овых линий на вращающемся цилиндре. Это наблюдение дол- жно послужить основой для введения понятия о скорости дви- жения. Для определения скоростей наблюдаемых движений электро- вигатель выключают. С помощью демонстрационного метра изме- 12 3 яют расстояния, пройденные в каждом движении за —, —, — сек, 5 5 5 находят их отношения к соответствующим промежуткам времени. Все грузы для описанных опытов подбирают заранее. На рисун- е 18 показан способ подвязывания держателя для грузов. Нагру- жая верхний держатель, добиваются такого натяжения шнура, оторое не сдвигало бы тележку с места, но чтобы от толчка она вигалась равномерно с любой сообщенной ей скоростью. Второй держатель подвязывают тем же способом у нижнего онца шнура на такой высоте, чтобы он касался поверхности сто- а, когда пишущее сопло бачка проходит около левого края цилин- ра. Грузы для этого держателя подбирают так, чтобы после раз- эна тележка проходила весь свой путь приблизительно за 3 сек. 35
Добавочный груз для второго опыта должен уменьшить время дви- жения до 1,5—2 сек. В черную и красную тушь перед заливкой добавляют прибли- зительно две части чистой воды. Разбавленную тушь наливают в бачок примерно до половины. Для прочистки сопла надо иметь специальную иглу (ее делают из стальной проволоки диаметром 0,2 мм). Если сопло засоряется после повторных прочисток, луч- ше бачок промыть чистой водой и залить свежим раствором. Примечание. Поставленный на приборе однофазный, электродвигатель имеет очень малый пусковой момент и не может сам привести в движение цилиндр. Поэтому при пуске цилиндр надо подталкивать, иначе электродвигатель быстро нагреется и может испортиться. U ПЫ ГП Измерение скорости движения спидометром 2 Оборудование: 1) прибор по кинематике и динамике, 2) штатив универсальный — 2 шт., 3) блок на стержне, 4) гальванометр демонстраци- онный, 5) шнур соединительный. При введении понятия о скорости движения обычно подчерки- вают, что путь и скорость есть величины разнородные, хотя ско- рость измеряется длиной пути, пройденного телом в единицу вре- мени. Это хорошо подтверждается на опыте с применением спидо- метра, который показывает величину скорости движения без уче- та пройденного пути. Для ознакомления с принципом действия спидометра к тележ- ке прикрепляют приложенный к набору генератор электрическо- го тока. При этом следят за гем, чтобы его ролик под действием пружины достаточно сильно прижимался к рельсу и вращался при движении тележки. Рис. 27. Установка для демонстрации действия спидометра 36
К зажиму генератора и к корпусу в месте его крепления при- соединяют гибкий шнур длиной около 1,5 м. Свободные концы шну- ра подводят под зажимы демонстрационного гальванометра, на- строенного на измерение переменного тока. Чтобы шнур не мешал движению тележки, его подвешивают с помощью универсального штатива (рис. 27). Генератор сильно тормозит движение тележки, поэтому груз для компенсации трения необходимо увеличить. Надо заранее подобрать и груз для предварительного разгона тележки, чтобы при ее движении стрелка гальванометра не выходила за пределы шкалы. На уроке сначала объясняют подготовленную установку, за- тем пускают тележку и следят за стрелкой гальванометра. Во вре- мя разгона тележки стрелка плавно отклоняется, а при равномер- ном движении тележки остается неподвижной. Опыт повторяют 2—3 раза, после чего увеличивают груз для разгона тележки и наблюдают новые показания гальванометра. Из этих опытов делают заключение, что гальванометр, програду- ированный в единицах скорости, может служить измерителем ско- рости. Если чувствительность гальванометра слишком велика и стрел- ка выходит за пределы шкалы, то его шунтируют реостатом, сопро- тивление которого подбирают путем предварительных испытаний. Опыт Относительность покоя и движения 3 Оборудование: 1) доска на четырех роликах, 2) тележка и ука- затель от прибора по кинематике и динамике, 3) фильм «Относительность Движения», 4) кинопроектор. На доске, которая может легко передвигаться на роликах вдоль демонстрационного стола, устанавливают тележку, которую в свою очередь можно передвигать вдоль доски (рис. 28). Опыты с этой установкой должны служить иллюстрацией к рассказу об от- носительности движения и покоя. Передвигая тележку вдоль неподвижной доски, показывают, что движение тележки обнаруживается только благодаря измене- нию ее положения относительно окружающих предметов, в част- ности относительно доски. Однако и положение доски изменяется относительно тележки, следовательно, можно считать, что и дос- ка находится в движении относительно тележки. Проведенный опыт показывает, что всякое движение относи- тельно: тела двигаются относительно друг друга. Покой также от- носителен: доска неподвижна относительно стола, но движется относительно тележки. 37
Рис. 28. Установка для объяснения относительности движения и покоя Помещая указатель в качестве тела отсчета то на стол, то на доску, то на тележку, проводят следующие опыты: 1) передвигают тележку вдоль доски, неподвижной относительно стола, 2) придер- живая тележку, передвигают под нею доску вдоль стола, 3) пере- двигают доску с неподвижно стоящей на ней тележкой, 4) двигая доску вдоль стола, передвигают вдоль доски и тележку в ту же сторону. При проведении каждого из этих опытов выявляют движе- ние стола, доски и тележки относительно наблюдателя, находяще- гося то в одном, то в другом месте. В заключение демонстрируют фильм «Относительность дви- жения»1. В этом фильме на ряде эпизодов показано, что любой из двух взаимно перемещающихся предметов может быть принят за неподвижный. Девушка на велосипеде, энергично вращающая пе- дали, оказывается неподвижной относительно помещения, когда в кадре появляется нижняя часть колес и движущаяся лента тре- ка, на котором установлен велосипед. В окно вагона видны медлен- но движущиеся вагоны соседнего поезда, и вопрос о том, какой поезд отходит от станции, решается только, когда за окном исче- зает последний вагон и начинают мелькать станционные здания, столбы и деревья. Наблюдая на экране земной шар, вращающий- ся вокруг своей оси, и движение Земли вокруг Солнца, зритель приходит к заключению, что покоя в мире нет. Покой — есть частный случай движения. Для формирования понятия о теле отсчета в фильме показано относительное движение плывущей по реке баржи, с мальчиком и девочки, стоящей на берегу. В другом эпизоде показаны движу- щаяся лестница эскалатора метро и работница, протирающая па- нель эскалатора. Чтобы оставаться у неподвижной панели, ей прихо- дится переступать по ступеням движущейся лестницы. Два типа строгального станка, показанные на экране, отлича- ются тем, что у одного неподвижна обрабатываемая деталь, а дви- жется резец, у другого — резец неподвижен, но движется деталь. Для обработки детали это так же безразлично, как безразлично, летит ли модель самолета в воздухе или неподвижная модель об- дувается потоком воздуха в аэродинамической трубе. Этими двумя эпизодами заканчивается фильм. 1 Кинофильм звуковой, I часть, выпущен в 1958 г.; продолжительность демонстрации 10 мин. 38
Опыт Сложение движений 4 Оборудование: 1) доска на четырех роликах, 2) тележка и ука- затели из набора по кинематике и динамике — 3 шт., 3) штатив универсаль- ный, 4) шарик на нити, 5) диск для опытов по вращательному движению. 1. На доске, расположенной вдоль демонстрационного стола, устанавливают тележку. На столе, на доске и на тележке расстав- ляют указатели так, чтобы они оказались друг против друга (рис. 29, а). Передвинув одновременно доску по столу и тележку по доске в одну сторону, показывают, пользуясь указателями, путь, пройденный тележкой по доске, и путь, пройденный доской по сто- лу (рис. 29, б). Путь, пройденный тележкой относительно стола, — это расстояние между указателями, стоящими на столе и на тележ- ке; он равен сумме путей, пройденных тележкой относительно дос- ки и доской относительно стола. Для демонстрации сложения движений, направленных в про- тивоположные стороны, пользуются той же установкой, но доску и тележку двигают в противоположные стороны с различной ско- ростью. Затем измеряют пути, пройденные тележкой относитель- но доски и доской относительно стола (рис. 30). Показывают, что путь, пройденный тележкой относительно стола, равен разности путей составляющих движений. 2. Установка для демонстрации двух прямолинейных движений, направленных под углом, изображена на рисунке 31. Сначала показывают движение шарика параллельно плоскости стола. Для этого зацепляют нить за крючок у основания штатива и двигают штатив с шариком вдоль стола. Затем возвращают шта- Рис. 29. Сложение движений, направленных в одну сторону 39
Рис. 30. Сложение движений, направленных в противоположные стороны 6 Рис. 31. Сложение движений, направленных под углом друг к другу Рис. 32. Сложение прямо- линейного и враша|ельио- го движений
тив в исходное положение и, подтягивая нить, показывают движе- ние шарика в вертикальном направлении. Для демонстрации слож- ного движения нить зацепляют за крючок второго штатива и сно- ва двигают штатив с шариком вдоль стола. Перемещаясь вместе со штативом и одновременно поднимаясь вверх, шарик совершает сложное движение по наклонной прямой. Траектории наблюдае- мых движений вычерчивают на доске и выводят правило сложения движений. 3. Для демонстрации сложения прямолинейного и вращатель- ного движений берут в руку ось диска, устанавливают его парал- лельно плоскости классной доски так, чтобы было удобно катить по лотку доски. Затем делают на диске у самого края мелом метку и, приподняв диск, приводят его во вращение. Учащиеся убежда- ются, что метка на диске описывает окружность; ее вычерчивают на доске (рис. 32). Повертывают диск меткой вверх и несут его вдоль доски, не касаясь лотка. При этом метка перемещается по горизонтальной прямой; эту траекторию также проводят на доске мелом. Приводят диск в исходное положение и, повернув его меткой вверх, ведут по лотку. Если при этом прижать кусок мела к краю диска, где находится метка, то при качении на доске вычерчивается траектория сложного движения диска — циклоида. Опыт Запись равноускоренного движения и введение понятия мгновенной 5 скорости Оборудование: 1) прибор по кинематике и дииамйке, 2) шта- тив универсальный, 3) блок на стержне, 4) тушь черная и красная. Для введения понятия мгновенной скорости переменного дви- жения целесообразно поставить два опыта. 1. На вращающемся цилиндре прибора получают запись равно- мерного движения тележки черной тушью, как описано в опыте 1 (стр. 34). Затем переносят нижний груз, который применялся для предварительного разгона тележки, вверх и подвязывают его не- посредственно под верхним грузом, компенсирующим трение (рис. 33, б). Пустив тележку из положения Б (рис. 17), записывают ее ускоренное движение красной тушью. Наблюдая затем одновременное движение двух винтовых ли- ний, учащиеся замечают, что на левой стороне цилиндра черная винтовая линия обгоняет красную, а на правой, наоборот, крас- ная линия обгоняет черную. Кроме того, учащиеся легко находят на цилиндре такое место, где обе линии двигаются не обгоняя одна другую. Очевидно, в этот момент скорость тележки, двигав- шейся ускоренно, достигла величины скорости равномерного дви- жения. Разделив расстояния между витками черной винтовой ли- 41
Рис. 3?. Размещение грузов в опытах для вве- дения понятия мгновен ной скорости Для уско- разгоно 0. Запись HOSOI 'ьрадномер- б. Запись ускорен- 6. Получение ускорен- движения ного движения ного движения. переходящего д равномерное нии на 0,2 сек (цилиндр делает 5 об/сек), находят скорость равно- мерного движения и, следовательно, равную ей мгновенную ско- рость ускоренного движения в данной точке пути. 2. Груз, сообщающий тележке ускорение, переносят в другое положение (рис. 33, в) так, чтобы он опускался на стол в тот момент, для которого в предыдущем опыте была определена мгновенная скорость тележки. Устанавливают тележку против левого края цилиндра, при- водят в движение цилиндр и пускают тележку. Следя за ее движе- нием, замечают, что после достижения вычисленной ранее скоро- сти тележка двигается равномерно рядом с витками черной винто- вой линии. На основании проведенного опыта можно утверждать, что мгновенная скорость переменного движения равна скорости, с ко- торой будет двигаться тело начиная с момента прекращения дей- ствия силы, изменяющей скорость тела. Опыт 6 Определение мгновенной скорости движения на машине Атвуда Оборудование: 1) машина Атвуда настольная, 2) метроном или электронный датчик времени, 3) ключ и источник постоянного тока на 6 в или приставка к датчику времени, 4) шнур соединительный. Перед проведением опытов машину Атвуда устанавливают на демонстрационном столе и проверяют вертикальность расположе- ния стойки. Для этого на блок навешивают нить с двойными гру- 42
зами (без перегрузка), у основания шкалы, справа, закрепляют кольцо и опускают в него правый груз. Поворачивая уравнитель- ные винты, добиваются такого положения прибора, при котором груз висит точно в середине кольца. Накладывают на правый груз перегрузок с массой 4 г, подни- мают его к блоку и ставят на пусковой столик. У основания прибора на делении 80 см закрепляют передвижной столик. Настраивают маятник метронома на частоту 120 ударов в минуту, заводят и пу- скают метроном. В такт с секундными ударами метронома (пропуская один удар) отрывисто и четко произносят: ноль, ноль, ноль... Одновременно с одним из ударов метронома и словом «ноль» нажимают спуск, ос- вобождающий пусковой столик, и считают дальше — раз, два, три... На счет четыре груз опускается на передвижной столик, пройдя путь 80 см. На этом опыте показывают новый пример уско- ренного движения системы грузов и отсчет времени на слух с по- мощью метронома. Далее ставится задача: определить мгновенную скорость гру- зов через 2 сек после начала движения. Для этого, подняв груз с перегрузкой в исходное положение, включают электромагнитный зажим и пускают метроном. Одновре- менно с началом отсчета времени выключают ток, а на счет два включают. Зажим задерживает нить — и грузы останавливаются, пройдя путь в 20 см (рис. 34). Если теперь поставить кольцо на уровне перегрузка (положе- ние а на рис. 34, 7), то при повторном пуске перегрузок останется на кольце, а грузы без воздействия ускоряющей силы станут двигаться равномерно со скоростью, равной мгновенной скорос- ти, достигнутой в конце 2-й сек. Отсчи- тав после снятия перегрузка еще одну секунду, включают зажим, и грузы оста- навливаются на расстоянии 40 см от на- чала движения. Таким образом, за по- следнюю секунду грузы прошли 20 см, двигаясь равномерно. Следовательно, в момент снятия перегрузка, т. е. в конце 2-й сек, грузы имеют мгновенную ско- рость 20 см/сек. Подобным же образом (рис. 34, 77) определяют мгновенную скорость в кон- це 3-й сек. Она оказывается равной 30 см!сек. Имея три значения мгновенной ско- рости: v0 = 0, v2 = 20 см/сек и v3 = = 30 см!сек, строят график зависимости Л ГО Ю а 20' го 20 зо 30 40 40 50 50 60 60 70 70 80 80 п I 34. К определению Рис. мгновенной скорости на ма- шине Атвуда 43
Рис. 35. График скорости движения грузов на машине Атвуда , 25b 64 32 16 В 4 2 11 @ ой© ® 0 © © ©§© © '512 12В . х00Шк_________ Ф - СЧ4Т ИЗМЕГеРЕН.-G® с Рис. 36. Применение планки с мет- ками для задания времени срабаты- вания датчика (2 сек) скорости от времени (рис. 35). График представляет собой пря- мую, проходящую через начало координат. Следовательно, ско- рость исследуемого движения возрастает пропорционально времени. Полученный экспериментально числовой материал достаточен для введения понятия об ускорении. Из построенного графика видно, что за любую секунду скорость данного движения возраста- ет на 10 см/сек. Следовательно, движение это происходит с постоян- ным ускорением, равным 10 сж/сек2, и является поэтому движени- ем равноускоренным. Для автоматической остановки грузов в заданный момент времени вместо метронома можно воспользоваться электронным секундомером с приставкой, как описано на стр. 33. Для облегче- ния настройки секундомера на любой выбранный промежуток вре- мени удобно навешивать на корпус прибора заготовленные зара- нее картонные планки с отметками в виде треугольников над соответствующими кнопками. Для примера планка на 2 сек изобра- жена на рисунке 36. Кнопки, которые надо нажать для задания указанной на пластинке программы (2,00 сек), находятся под от- метками. При нажатии отмеченных кнопок числа, соответствую- щие незажженным лампочкам 128, 64 и 8, в сумме дают 200, т. е. 2,00 сек. Опыт 7 Проверка закона путей для равноускоренного движения Оборудование: 1) машина Атвуда настольная, 2) метроном или электронный датчик времени, 3) ключ и источник постоянного тока на 6 в или приставка к датчику времени, 4) шнур соединительный. Результаты измерения путей, проходимых грузами за 1,2, 3 и 4 сек, должны показать, что эти пути пропорциональны квадра- a(i там времени, т. е. должно быть подтверждено уравнение s — —. 44
Если опыт проводят с метрономом, то последний настраивают на частоту 120 ударов в минуту, а к электромагнитному зажиму маши- ны Атвуда присоединяют источник тока и выключатель. Подтягивают правый груз с перегрузком в 4 Г вверх, чтобы его нижняя поверхность оказалась против нулевого деления шкалы, и включают электромагнитный зажим. Пускают метроном и в мо- мент одного из ударов зажим выключают, а через секунду включа- ют вновь. Грузы останавливаются, пройдя 5 см: Подтягивают грузы в исходное положение и повторяют опыт, включая зажим через 2 сек после пуска, затем через 3 сек и, нако- нец, через 4 сек. Положения грузов каждый раз отмечают мелом на свободном поле шкалы. При правильной подгонке грузов и нор- мальном обращении с прибором получаются следующие пути: 5 см, 20 см, 45 см и 80 см. Как видно, они пропорциональны квад- ратам времени. Кроме того, анализируя полученные результаты, можно показать, что пути, проходимые за последовательные рав- ные промежутки времени, пропорциональны ряду нечетных чисел, т. е. 5 : 15 : 25 : 35 = 1 : 3 : 5 : 7. Сравнивая эти пути, можно заметить, что каждый из них больше предыдущего на величину, численно равную ускорению. Вместо метронома в опыте может быть применен электронный датчик времени с приставкой для автоматической остановки гру- зов в заданные моменты. 0пЫ1Т1 Падение тел в воздухе и разреженном 8 пространстве Оборудование: 1) кружки металлический и бумажный, 2) два шарика одинакового размера, но разного веса, 3) трубка Ньютона, 4) ваку- ум-насос, 5) тарелка с манометром к насосу. 1. Берут в одну руку металлический кружок, а в другую бу- мажный и одновременно их отпускают. После того как металли- ческий кружок коснется стола, бумажный еще продолжает па- дать и достигает стола с большим опозданием. Затем кладут на руку горизонтально металлический кружок и накладывают на него бумажный (рис. 37). Отпускают кружки: они, сохраняя горизонтальное положение, падают на стол вместе. Этот опыт показывает, что причиной неодиовременности падения тел является сопротивление воздуха. Достаточно его устранить — и легкий бумажный, кружок падает так же, как и металлический, для которого сопротивление воздуха мало по сравнению с силой тяжести. Металлический кружок (диаметр 6—10 см) для этого опыта можно вырезать из любого металла. Диаметр бумажного кружка на 1—2 мм меньше. 45
Рис. 37. Ме- таллический и бумажный дис- ки перед пус- ком 2. У трубки Ньютона открывают кран и, держа ее в вертикальном положении краном кверху, обращают внимание учащихся на птичье перышко, пробку и кусочек свинца, лежащие на дне прибора. При быстром перевертывании трубки краном вниз (это надо сделать 2—3 раза) слышен удар свинцового грузика, затем видно,как падает проб- ка и медленно опускается перышко. Далее соединяют толстостенным резиновым шлангом вакуум-насос с тарелкой, а тарелку — с трубкой Ньютона и откачивают воздух. Когда манометр покажет 5—6 мм рт.ст., кран трубки Ньютона закрывают и осторожно повертывают кран тарелки, медленно впуская воздух под колпак манометра. Сняв резиновую трубку, снова перевертывают трубку 2—3 раза. Учащиеся слышат стук кусочка свинца и наблюдают одно- временное с ним падение перышка и пробки. Чтобы лучше были видны тела, заключенные в трубке, надо проводить опыт по возможности поближе к учащимся и на темном фоне. 3. Два шарика одинакового размера, но разного веса захваты- вают в одну руку и одновременно отпускают. Шарики падают, и удары их о пол слышны одновременно. Аналогичный опыт проводил Галилей, бросая шары с наклонной башни. Опыт этот показывает, что если сопротивление воздуха невелико по сравнению с весом тел, то все тела, независимо от их веса, падают с одним и тем же ускорением. ОпЫГП Определение ускорения при свободном падении 9 Оборудование: 1) машина Атвуда настольная, 2) секундомер электромеханический с источником постоянного тока на 6 в или секундомер электронный с выпрямителем, 3) шнур соединительный. На демонстрационном столе устанавливают машину Атвуда без блока и грузов. В отверстие передвижного столика вставляют тарелочку для гашения удара шарика (см. рис. 20) и замыкают контакты столика, подняв его втулку вверх. Передвижной сто- лик закрепляют в таком положении, чтобы тарелочка оказалась против деления 80 см. Пусковой столик переводят в горизонталь- ное положение и в его отверстие продевают нить отвеса. Регули- руя положение прибора уравнительными винтами, добиваются, чтобы отвес расположился точно над центром тарелочки. Секундомер включают в сеть, а его пусковые зажимы соединя- ют с зажимами пускового и передвижного столиков. Нажимают кнопку установки стрелки секундомера на нуль и кладут стальной 46
шарик на пусковой столик. Общий вид подготовленной установки показан на рисун- ке 38. При опускании рычажка, находящегося у основания прибора, пусковой столик под действием пружины освобож- дает шарик и одновременно включает секундомер. Ша- рик падает, ударяет в таре- лочку и остается в ней. При этом тарелочка и втулка про- двигаются вниз и размыкают ток. Секундомер выключает- ся, и по его шкале можно от- считать время падения шарика. Опыт повторяют несколько раз, находят среднее значение Рис. 38. Установка для определения времени свободного падения полученных результатов и вы- числяют ускорение по форму- 27/ ле g = —. Затем меняют положение столика и повторяют опыты. Ускорение вычисляют по новым данным и получают результат, близкий к полученному ранее. Считая, что в первую секунду падающее тело проходит путь, равный половине ускорения, т. е. 980 : 2 = 490 см, вычисляют путь, который шарик должен пройти за 0,1 сек. Очевидно, он ра- вен 4,9 см. Затем вычисляют пути за 0,2 сек (19,6 см), за 0,3 сек (44,1 см), за 0,4 сек (78,4 см). Результаты вычислений проверяют опытами, устанавливая под- вижной столик для каждого случая на вычисленных расстояниях и снимая показания секундомера. § 2. ЗАКОНЫ НЬЮТОНА. ТРЕНИЕ Oflbim Проявление инерции 10 Оборудование: 1) тележка, 2) брусок деревянный, 3) небольшой мешок с песком, 4) кинофильм «Законы Ньютона», ч. I, 5) кинопроектор. Известно множество различных опытов для демонстрации инер- ции, описанных в учебниках и в обширной методической литерату- ре. Проявление инерции в жизненной практике учащихся настоль- ко часто, что одних только примеров, известных учащимся, было 47
Рис. 39. Демонстрация инерции бы достаточно для введения необходимых понятий и усвоения первого закона динамики. Тем не менее для иллюстрации расска- за учителя необходим опыт, который наиболее выразительно рас- крывал бы сущность явления. Для проведения такого опыта можно воспользоваться тележ- кой от прибора по кинематике и динамике с вертикально располо- женным на ней деревянным бруском (рис. 39). Резким толчком те- лежку приводят в движение, при этом брусок опрокидывается. Вернув тележку в исходное положение, вновь устанавливают на ней брусок и плавно разгоняют вдоль стола. Натолкнувшись на препятствие, тележка останавливается, а стоящий на ней брусок падает вперед. Беседу, развернутую на основе проведенного опыта, завершают демонстрацией 1-й части фильма «Законы Ньютона»1. В этом филь- ме показана игра в городки. Момент бросания биты подан в замед- ленном темпе. На этом кадре хорошо видно, как при броске в мо- мент остановки руки бита продолжает движение. Городки, сложенные в очередную фигуру, вылетают из квад- рата при ударе биты. Под действием силы изменяется не только величина скорости, но и ее направление. Это показано на движении стрелы, пущенной из лука. К летящей стреле приложен вектор силы тяжести, направ- ленной вниз. Траектория стрелы искривляется. Это же явление раскрывается в нескольких эпизодах: в детской игре, когда убегающий, желая резко изменить направление, хва- тается за дерево; на тракторе, который меняет направление дви- жения, взаимодействуя с землей; на движении поезда по рельсам. На экране электровоз; векторы представляют действующие на него силы (давление воздуха, трение, тяга). Демонстрируется дви- жение при действии уравновешенных сил. Последние кадры показывают, что в равномерно движущемся поезде все явления протекают так же, как и на земле. Фильм за- канчивается формулировкой первого закона динамики. 1 Кинофильм звуковой, в трех частях, выпущен в 1961 г., продолжитель- ность показа одной части 9 мин,. 4S
1ЫШ Зависимость ускорения от действую щей на тело силы и от массы тела 11 Оборудование: 1) машина Атвуда настольная, 2) метроном, 3) источник постоянного тока на 6 в, 4) выключатель, 5) кинофильм «Законы Ньютона», ч. II, 6) кинопроектор. На блок прибора навешивают нить с двойными грузами. Затем, пользуясь уравнительными винтами, устанавливают прибор вер- тикально (см. опыт 6) и накладывают на правый груз перегрузок в 4 Г. Подняв правый груз до нулевого деления, включают элект- ромагнитный зажим и пускают метроном, настроенный на 120 уда- ров в мин. Включая ток на 1, 2, 3 и 4 сек, измеряют пути, пройденные грузами. Они будут равны соответственно 5, 20, 45 и 80 см. Уско- рение же, вычисленное по результатам каждого опыта по формуле at2 s = —, оказывается равным 10 см/сек2. Далее опыт повторяют, заменив перегрузок в 4 Г перегрузком в 2 Г. Теперь за те же промежутки времени грузы проходят пути, соответственно равные 2,5, 10, 22,5 и 40 см, т. е. вдвое меньшие, чем в предыдущих опытах. Понятно, что и ускорение теперь оказыва- ется равным 5 см!сек2. Следовательно, с уменьшением действующей силы во столько же раз уменьшается и ускорение движения грузов. Для установления зависимости ускорения от массы тела снова пользуются перегрузком в 4 Г, но от каждого груза отвинчивают нижнюю половину, уменьшая тем самым массу всей системы вдвое. Вновь измеряют пути, проходимые грузами, и находят, что за 1 сек они прошли 10 см, а за 2 сек — 40 см\ откуда ускорение движения равно 20 см/сек2. Таким образом, с уменьшением массы движущей- ся системы во столько же раз увеличивается ускорение. Сделанные на основе эксперимента выводы о прямой пропорци- ональности ускорения действующей силе и обратной пропорцио- нальности массе тела подготавливают учащихся к пониманию урав- F г нения а = —, а затем и F = та. т После демонстрации опытов показывают вторую часть фильма «Законы Ньютона». В первых кадрах фильма юные техники испыты- вают модели катеров, заставляя их буксировать модели баржи и маленькой лодки. Испытания приводят к выводам, что большая си- ла сообщает телу большее ускорение, а одна и та же сила телу боль- шей массы сообщает меньшее ускорение. На этом основании в филь- ме дается второй закон динамики: F = та и Ft = mv2 — mvt. Вторая формула иллюстрируется кадрами с буксировкой автобуса. Неумелая буксировка — сильный рывок и обрыв троса. Плавная буксировка — автобус медленно набирает скорость. 49
Далее следуют кадры, выясняющие роль и устройство рессор- ной подвески. При движении автомобиля его колеса прыгают по неровностям дороги, а кузов почти неподвижен в вертикальном на- правлении. Фильм заканчивается разъяснением причин перегруз- ки и состояния невесомости, испытываемых в кабине самолета и космическом корабле. Опыт 12 Изменение веса тела при равнопеременном движении Оборудование: 1) динамометры демонстрационные, 2) грузы на- борные в 1 и 2 кГ, 3) штатив универсальный, 4) нить длиной 1,5 м, 5) неболь- шой мешок с песком. Установка для проведения опыта изображена на рисунке 40. Чтобы нить, перекинутая через блоки, не стягивала стержни ди- намометров, между стержнями необходимо вставить распорку из проволоки. Концы распорки надо согнуть колечком и надеть на стержни поверх блоков. Очевидно, в этой установке натяжение Рис. 40. Установка для демонстра- ции изменения веса тел горизонтального участка нити не будет влиять на показания динамометров, поэтому каждый из них будет измерять силу на- тяжения нити с висящим на ней грузом, т. е. вес груза. Пока более тяжелый груз в 1200 Г стоит на столе, оба ди- намометра будут показывать вес левого груза, т. е. 600 Г. Если теперь, взявшись ру- кой за меньший груз, подтянуть правый груз вверх, оба динамо- метра будут показывать 1200 Г, т. е. вес правого груза. После этого, взяв рукой пра- вый груз, поднимают его к бло- ку и отпускают. Во время уско- ренного движения грузов оба динамометра показывают оди- наковое значение — приблизи- тельно по 800 Г. Следователь- но, левый груз при ускоренном движении вверх находится в со- стоянии перегрузки и его вес на 200 Г больше первоначального, 5Q
(ГС Рис. 41. Наборные грузы а правый груз при ускоренном движении вниз весит на 400 Г меньше. Движущая сила в этом опыте, равная разности 1200 Г — 600 Г= = 600 Г, сообщает обоим грузам одинаковые ускорения, следова- тельно, она распределяется на два груза пропорционально их массам. Меньший груз получает ускорение под действием силы в 200 Г, а пра- вый — под действием силы в 400 Г. Постепенно уменьшают массу левого груза и замечают, что уско- рение движения увеличивается, а показания динамометров во вре- мя движения уменьшаются, что указывает на уменьшение веса пра- вого груза. Далее отцепляют левый груз и, отпустив нить, дают правому грузу свободно падать. Естественно, что во время его па- дения динамометр будет показывать нуль. Это значит, что груз на- ходится в состоянии невесомости, когда действующая на груз сила тяжести сообщает ему ускорение свободного падения. В начале опыта, когда отпускают поднятый вверх большой груз, надо сделать так, чтобы рука следовала рядом с движущимся гру- зом. На высоте около 30 см над столом груз надо плавно подхваты- вать, не давая ему ударяться о стол. Эта операция легко удается после небольшой тренировки. Во время опыта учитель должен сле- дить за движущимся грузом, предоставив учащимся наблюдение за показаниями динамометра. Когда демонстрируется свободное прение правого груза, надо на стол положить небольшой мешок с песком. Кроме грузов в 1200 и 600 Г, возможны и другие со- четания: 900 и 4В0Г; 600 и 300 Г. Для устных расчетов удобно, чтобы разность их веса делилась на 3. В этом опыте лучше пользоваться наборными грузами в 1 кГ и 2 кГ. Каждый из них состоит из основания с крюком, на который насаживаются цилиндрические гири различной величины. Набор- ные грузы изображены на рисунке 41. ОпЫГП Невесомость при падении тела 13 Оборудование: 1) груз наборный в 2 кГ, 2) штатив универсаль- ный, 3) шнур, 4) полоска бумаги, 5) мешок с песком. На прочном шнурке, пропущенном через кольцо штатива, под вешивают груз в 2 кГ, состоящий из отдельных цилиндрических гирь. На другом конце шнура делают петлю, которую зацепляют за крючок муфты на стержне штатива, как показано на рисунке 42. 51
Рис. 42. Установка для демон- страции невесомости Рис. 43. Установка для обрывания верхней и нижней нитей Между гирями наборного груза закладывают полоску газетной или промокательной бумаги и свободный ее-конец прочно зажимают в лапке штатива. Отцепив петлю шнурка, медленно спускают груз. Последний натягивает и разрывает бумажную полоску. Из этого можно заклю- чить, что бумажная полоска была достаточно сильно прижата ги- рей. Заменяют порванную полоску бумаги такой же целой полос- кой, отцепляют шнурок и отпускают его. Груз свободно падает, а бумажная полоска, освободившись, повисает на лапке штатива. Опыт показывает, что при свободном падении давление гири на опору отсутствует, т. е. гиря при падении находится в сос- тоянии невесомости. Опыт 14 Обрывание верхней или нижней нити от подвешенного тяжелого груза Оборудование: 1) гиря в 2 кГ, 2) штатив универсальный, 3) нить длиной 1 м, 4) прочный шнурок. Перед опытом заготавливают несколько одинаковых отрезков суровой нити с завязанными на концах петлями. На стойке, собран- ной из деталей универсального штатива, подвешивают груз весом Г>2
в 2 кГ с помощью одного из заготовленных отрезков (рис. 43). Вто- рой такой же отрезок привязывают к нижней петле груза. Чтобы груз при обрывании нити не падал, его подвязывают к перекладине стойки свободно свисающим прочным шнурком. Взявшись за рукоятку, вставленную в петлю нижней нити, при- поднимают руку и резко дергают рукоятку вниз. При этом обры- вается нижняя нить, а груз остается висящим на верхней нити. При движении руки сила натяжения нижней нити достигает предельной величины за такое короткое время, в течение которого массивная гиря не может заметно опуститься и передать усилие верхней нити так, чтобы она порвалась. После этого заменяют порванную нить новой и медленно натя- гивают ее, постепенно увеличивая усилие. Теперь обрывается верх- няя нить, и груз повисает на предохранительном шнурке. В этом случае сила натяжения верхней нити раньше достигает предель- ной величины, так как она в любой момент равна весу гири плюс сила натяжения нижней нити. Опыт Третий закон Ньютона 15 Оборудование: 1) прибор по кинематике и динамике, 2) весы настольные ВНО-2. Для проведения этого опыта от прибора по кинематике и ди- намике берут рельсы и две тележки с воротом и грузами. Рельсы предварительно устанавливают по уровню. На чашки весов кладут тележки и показывают, что их массы одинаковы (если массы различны, то более легкую тележку догру- жают гирями). Затем ставят тележки на рельсы и навивают нить на ворот. Свободный конец нити пропускают через ролик, установлен- ный на площадке под (рис. 44). Разводят тележки к упорам; с ворота, а грузы поднимаются вверх. При- держивая тележку с воротом одной рукой, отпу- скают вторую тележку. Последняя равноускоренно перемещается по направлению к первой тележке. Опыт повторяют, но теперь придерживают вто- рую тележку, а отпускают тележку с воротом. воротом, и прикрепляют ко второй тележке при этом нить сматывается Рис. 44. Взаимодей- ствие двух тележек 53
На глаз видно, что она движется с тем же ускорением, с каким двигалась другая тележка в предыдущем опыте. Снова разводят тележки к концам рельсов, но отпускают одно- временно и демонстрируют их встречное движение. Обращают вни- мание учащихся на то, что тележки сталкиваются на середине пути. Это доказывает, что они действительно двигаются с одинаковыми ускорениями. Проделанные опыты показывают, что, несмотря на установку «двигателя» на одной из тележек, обе тележки совершенно равно- правны в своем взаимодействии: они действуют друг на друга с равными и противоположно направленными силами. Полезно проделать еще один вариант опыта: воспользоваться небольшим мешком с песком и увеличить массу тележки, свобод- ной от ворота, в два раза; тогда пущенные одновременно тележки, двигаясь навстречу друг другу под действием одной и той же силы, встретятся в точке, которая разделит весь путь в отношении 1 : 2. Опыт Закон сохранения количества движения Оборудование: прибор по кинематике и динамике. Сохранение количества движения при взаимодействии двух тел удобно демонстрировать при помощи двух тележек на приборе по кинематике и динамике. Тележки без добавочных грузов и ворота должны иметь одинаковую массу. Поскольку массы тележек оди- наковы, о количестве движения каждой из них можно судить по их скоростям, которые нет необходимости измерять, а достаточно оценивать на глаз. 1. Тележки устанавливают на рельсах так, чтобы они были об- ращены друг к другу свободными торцами. К торцу одной из те- лежек прилепляют скатанный из пластилина шарик (диаметром 2—3 см) и разводят тележки к упорам. Двумя руками одновремен- но и приблизительно с одинаковой силой толкают их навстречу друг другу. Сталкиваясь, тележки останавливаются. Перед взаимо- действием векторы количества движения тележек равны и направ- лены противоположно, следовательно, их векторная сумма равна ну- лю. После взаимодействия общее количество движения тележек, как следует из опыта, также остается равным нулю. Если толчки, полученные тележками, неодинаковы, то после столкновения сцепленные тележки медленно двигаются в ту сторо- ну, куда двигалась тележка, пущенная с большей скоростью. В этом случае общие количества движения тележек до взаимодействия и пос- ле взаимодействия также равны. Следовательно, mv2— mvt = 2 mv, v2 — v, откуда v = —, т. e. скорость сцепленных тележек равна по- 54
ловине разности скоростей тележек до столкновения и направлена в сторону большей скорости. 2. Одну из тележек отводят к упору, а другую ставят от пер- вой на расстоянии приблизительно равном 2/3 длины рельсов. Получив толчок, первая тележка катится и наталкивается на не- подвижную тележку. Сцепившись, обе тележки катятся со ско- ростью, которая приблизительно в два раза меньше скорости пер- вой тележки. И в этом случае общие количества движения тележек до столкновения и после столкновения равны между собой; mv =2 т —. 2 3. Пластилиновый шарик удаляют, тележку с пружиной пере- вертывают пружиной вперед и толкают тележки навстречу друг дру- гу с одинаковыми скоростями, как в первом опыте. После столкно- вения тележки двигаются обратно с теми же скоростями. В этом случае общее количество движения тележек до и после столкнове- ния равно нулю. Если тележки получили неодинаковые толчки, то их общее количество движения равно разности количеств движения тележек и направлено в сторону большей скорости. После столкно- вения тележки обмениваются скоростями, и разность их количеств движения остается прежней и по величине и по направлению. 4. Одну тележку отводят к упору, а другую ставят на середину. Толкают первую тележку. Натолкнувшись на неподвижную, она останавливается, передав полностью свое количество движения второй тележке. 5. Одну из тележек нагружают добавочными грузами, чтобы ее масса увеличилась вдвое, и повторяют любой из описанных вы- ше опытов. Перед демонстрацией учащимся предлагают на основе установленного закона заранее указать поведение тележек после их взаимодействия. Опыт Полет ракеты 17 Оборудование: 1) модель ракеты с пусковым приспособлением и воронкой, 2) насос воздушный ручной. Перед запуском в ракету через воронку наливают около 60 мл воды (до выпуклого кольца, имеющегося в головной части кор- пуса; уровень воды виден через полупрозрачную стенку при- бора, если смотреть на просвет). Затем в отверстие ракеты встав- ляют трубку пускателя. Прижимают корпус ракеты к пускателю и скрепляют их между собой спусковой скобой. Соединяют насос с пускателем и, придерживая спусковую скобу, накачивают в кор- пус ракеты воздух до такого давления, когда будет заметно ощу- щаться сопротивление движению поршня насоса. Обычно бывает достаточно сделать около 20 взмахов поршнем насоса. 55
Рис. 45. Положение ракеты пе ред пуском После накачивания воздуха ра- кету повертывают головной частью вверх (рис. 45). Удерживая насос с пускателем так, чтобы корпус ракеты был в вертикальном поло- жении, тянут за шнурок пусковой скобы. Ракета с большой скоростью устремляется вверх и, поднявшись на 35—40 м, падает. Благодаря ста- билизатору ракета при падении по- вертывается головной частью вниз и ударяется о землю резиновым амортизатором. Пускать ракету можно только на открытом месте, вдали от зда- ний, чтобы было удобно следить за ее полетом и местом падения. Если почему-либо пуск ракеты на открытом месте невозможен, надо показать реактивное движение ракеты под действием сжатого воздуха, выбрасываемого из ее сопла. В этом случае поступают, как было описано выше, но воду в прибор не наливают. Ракета подни- мается над демонстрационным столом на высоту 1—1,5 м. Опыт Трение покоя и скольжения 18 Оборудование: 1) динамометр с круглым циферблатом, 2) три- бометр демонстрационный, 3) гиря в 2 кГ, 4) штатив универсальный, 5) метр демонстрационный, 6) шнурок. 1. Собирают установку, как показано на рисунке 46. Доску трибометра закрепляют справа в штативе с помощью имеющегося на ней стержня. Левый конец доски помещают на зажатую в муфте лапку или кольцо другого штатива, чтобы доска расположилась горизонтально. Брусок трибометра нагружают гирей и привязы- Рис. 46. Измерение силы трения покоя и скольжения 56
бают к нему шнурок. Дру- гой конец шнурка зацепляют за крючок динамометра. Взяв динамометр за ко- жух с тыльной стороны, обра- щают его циферблатом к клас- су и постепенно натягивают шнурок. Динамометр показы- вает увеличение силы тре- ния покоя. После достижения пре- дельной величины этой силы брусок с гирей сдвигается с места. При равномерном дви- жении бруска динамометр показывает меньшую величину — силу трения скольжения. Из полученных данных определяют коэффи- циенты трения покоя и скольжения. Повертывают брусок и кладут его на доску ребром. Повторяют опыт и убеждаются, что коэф- фициент трения не зависит от величины трущихся поверхностей. 2. Для определения коэффициента трения с помощью наклон- ной плоскости гирю снимают, левый штатив убирают, а доску рас- полагают наклонно, как показано на рисунке 47. Постепенно поднимают правый конец доски, пока брусок не сдвинется с места. После этого измеряют демонстрационным метром высоту и осно- вание наклонной плоскости и находят их отношение (тангенс угла наклона). В данном случае оно равно коэффициенту трения покоя. Для определения коэффициента трения скольжения подбира- ют такой угол наклона доски, при котором брусок после неболь- шого толчка продолжал бы двигаться по доске равномерно. После этого измеряют высоту и основание наклонной плоскости и вычис- ляют коэффициент трения скольжения. Эти величины будут совпа- дать с величинами коэффициентов, полученными в первом опыте. 3. Учащиеся хорошо усваивают понятия о трении покоя и сколь- жения при подробном разборе следующего простого опыта. Демонстрационный метр располагают горизонтально, оперев концами на указательные пальцы двух вытянутых рук. При медлен- ном сближении пальцы поочередно скользят вдоль линейки так, что в конце концов обязательно сходятся на середине линейки. При раздвигании рук один палец все время остается на месте, а второй скользит и доходит до конца линейки. В первой части опыта первым сдвигается относительно линейки тот палец, на который давление линейки слабее. Однако по мере приближения его к центру тяжести давление линейки возрастает и сила трения скольжения в определенный момент становится больше трения покоя на другом пальце. В этот момент первый палец оста- навливается и начинает двигаться второй палец. Так продолжается чередование движения двух опор до середины линейки. 57
При движении в обратном направлении палец, начавший движе- ние, удаляется от центра тяжести линейки и давление ее на этот палец все время уменьшается. Следовательно, уменьшается и сила трения скольжения, оставаясь все время меньше трения покоя, дей- ствующего на неподвижном пальце у середины линейки. После проведения описанных опытов будет уместно продемонст- рировать учебный фильм «Трение»1. В этом фильме с помощью мультипликации показаны крупным планом шероховатости и их разрушение у соприкасающихся поверх- ностей вагонного колеса и тормозной колодки. Показано приме- нение этого явления при шлифовании и заточке инструмента, а также использование нагревания, которым сопровождается трение, при сварке стальных изделий. Далее в фильме на мультикадрах рассматривается явление трения покоя. Показано зацепление и слипание как причины возникновения трения покоя. Приведены примеры применения трения покоя. Подъем кирпичей на стройке с помощью транспор- тера, образование конусообразных куч сыпучими телами, сохра- нение насыпей и откосов обязаны трению покоя. В ряде кадров удач- но раскрывается роль трения покоя при ходьбе, при работе ведущих колес автомобиля. Фильм заканчивается рассмотрением трения качения, устройст- ва и применения шариковых и роликовых подшипников. Показано и разъяснено народнохозяйственное значение замены букс железно- дорожных вагонов роликовыми подшипниками. Опыт Угол естественного относа насыпи 19 Оборудование: 1) чистый, сухой песок, 2) пшено, 3) льняное семя, 4) проекционный аппарат, 5) кювета вертикальная для проекции, 6) воронка. Различные сыпучие тела при насыпании их горкой образуют ко- нус, у которого угол при вершине зависит от формы и характера поверхности частиц. Его величина связана с коэффициентом тре- ния покоя; это приходится учитывать при проектировании строи- тельных и складских работ. Учащимся полезно показать на опыте образование углов естественного откоса сыпучих тел с различными коэффициентами трения покоя. Для проведения опыта перед конденсором проекционного ап- парата устанавливают кювету с чисто протертыми стеклами и проецируют ее на экран. В кювету вставляют на пробке небольшую стеклянную воронку и медленно насыпают в нее, например, сухой 1 Кинофильм звуковой, одна часть, выпущен в 1958 г. 58
Рис. 48. Образование угла естествен- ного откоса насыпи (проекция) мер песок. На экране сначала будет видна струйка песка, а затем посте- пенно появится и песчаная горка (рис. 48). Чтобы сравнить величину образовавшегося угла с углами, ко- торые будут получены в дальнейших опытах, применяют следующий простой прием. Разрезают восьмую часть листа писчей бумаги по диагонали, складывают, как показано на рисунке 49, и приставля- ют к стенке кюветы. Сдвигая листки, добиваются совпадения угла насыпи с углом, образованным листками, и фиксируют этот угол, загнув верхние края сложенных листков. Повторяют опыт с другими сыпучими телами, например пшеном или льняным семенем. Сравнивают углы откоса и убеждаются, что они заметно отличаются друг от друга. Uпыт Демонстрация явлений при замене трения поноя трением скольжения 20 Оборудование: 1) электродвигатель универсальный, 2) штатив универсальный, 3) стакан емкостью 1 л с сухим песком, 4) модель автомобиля, 5) доска, 6) брусок деревянный (с нитью) от трибометра. При изучении трения покоя и трения скольжения нельзя огра- ничиваться опытами, дающими только первое представление об этих явлениях. Важно ознакомить учащихся с очень распространен- ными явлениями, связанными с заменой одного вида трения дру- гим. Таковы действие смычка, возбуждающего колебание струны, вытаскивание из доски предварительно согнутого гвоздя путем его поворачивания и др. Некоторые из подобных явлений полезно про- демонстрировать. 1. В последнее время все чаще пользуются вибрационным ме- тодом забивки свай в грунт. Для демонстрации этого процесса со- 59
Рис. 50. Модель вибропогру- жателя для свай Рис. 51. Брусок во время движе- ния вдоль доски сползает вниз бирают модель вибропогружателя (рис. 50). Универсальный электродви- гатель с помощью продольной муфты соединяют с коротким стержнем уни- версального штатива. Этот стержень будет выполнять роль сваи. Его ста- вят на поверхность сухого песка, на- сыпанного в стеклянный стакан, и охватывают (не зажимают!) лапкой штатива, которая будет удерживать стержень в вертикальном положении. Включают электродвигатель и по- казывают постепенное и довольно быстрое погружение стержня в песок. Трение покоя между песчинками больше веса нагруженной сваи. При включении электродвигателя возни- кают толчки, сдвигающие песчинки относительно друг друга, и трение по- коя заменяется трением скольжения. Последнее легко преодолевается си- лой тяжести нагруженной сваи. 2. При резком торможении, осо- бенно на скользкой дороге, автомо- биль «заносит», т. е. он начинает дви- гаться, поворачиваясь вокруг верти- кальной оси, и часто сползает с до- рожного полотна, которое обычно не- сколько наклонено вправо. Для демонстрации и объяснения этого явления кладут деревянный брусок с крючком, на край доски, расположенной на столе наклонно (рис. 51). В неподвижном состоянии брусок удерживается на доске трением покоя. Если же привязать к крючку нить и тянуть брусок горизонтально вдоль доски, то он двигается вперед и одновременно сползает к правому краю. После этого опыта брусок заменяют моделью автомобиля, вык- лючив предварительно сцепление. Привязывают нить в середине кузова (вблизи центра тяжести) и тянут ее вдоль доски. Автомобиль катится по доске не сползая, так как между колесами и дорогой действует трение покоя. Затем все колеса модели полностью затор- маживают (закладывают колеса, например, комочками бумаги). Те- перь автомобиль сползает с доски и поворачивается, как это обыч- но и бывает при резком торможении, когда сцепление колес с доро- гой нарушается и трение покоя заменяется трением скольжения. 60
§ 3. ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИКИ. ДЕФОРМАЦИИ В описанных ниже опытах для вывода правил и установления закономерностей применяется набор по статике с магнитными дер- жателями. Установки, собираемые с помощью этого набора, отли- чаются большой маневренностью, дают возможность исключать по- бочные явления и показывать изучаемые закономерности в наибо- лее «чистом» виде. Кроме таких опытов, в данном параграфе опи- саны и другие, иллюстрирующие применение изученных правил. Эти опыты даны в форме экспериментальных задач и поставлены на различных приборах, применяемых в разных разделах. Основные детали набора по статике снабжены постоянными маг- нитами и закрепляются на вертикальном щите, покрытом листовым железом. Способ крепления с помощью магнитов дает возможность быстро устанавливать деталь в любом месте щита и передвигать их. На щите можно ставить мелом метки, делать построения, записы- вать величины сил, перемещений и т. д. Каждый из трех трубчатых динамометров набора имеет поворотное устройство, обеспечивающее динамометру свободное вращение вокруг его оси, проходящей через центр тяжести. Благодаря этому устройству динамометры во время проведения опытов автоматически устанавливаются вдоль прямой, по которой направлены измеряемые силы. Указанные особенности Рис. 52. Набор по статике с магнитными держателями 61
Рис. 53. Детали набора по статике дают этому набору существенные преимущества перед употребляв- шимися ранее рамами, щитами и другими приспособлениями по статике. Набор состоит из щита, приспособленного для подвешивания, и комплекта деталей, уложенных в специальный ящик (рис. 52). В комплект входят (рис. 53): 1) три динамометра на 300 Г, смонтированных на круглых пло- щадках 1, вращающихся на магнитопроводе постоянного магнита. Цена деления динамометров — 50 Г; 2) два постоянных магнита 2 с магнитопроводом, предназначен- ных для крепления ими блока или штифта; 3) два блока <3 со съемным крючком; 4) два набора 4 из пяти грузов по 50 Г ; 5) пластина неправильной формы 5; 6) стержень 6 с петлями на концах, разделенный черными рис- ками с одной стороны на три, а с другой стороны на четыре равных отрезка; 7) угольник 7 с делениями для измерения плеч; 8) две пружины S; 9) пять крючков проволочных 9; 10) три толстые белые нити длиной 140 мм, 240 мм и 270 мм с петлями на концах. Каждый динамометр имеет корректирующую муфту. Под дей- ствием собственной тяжести внутренний цилиндр динамометра обычно погружается внутрь наружного цилиндра, когда динамо- метр установлен крючком вверх, или выходит наружу, когда крю- чок обращен вниз. Поэтому перед измерением корректирующая муфта устанавливается так, чтобы динамометр в данном положе- нии показывал нуль. Это делается и в тех случаях, когда необходи- мо исключить из рассмотрения вес подвижного блока, рычага и др. 62
Пластина неправильной формы имеет по краям несколько про- извольно расположенных отверстий и одно отверстие в центре тя- жести. Вес пластины 50 Г. Для проведения опытов щит подвешивают к верхнему краю клас- сной доски или устанавливают на демонстрационном столе с помо- щью универсального штатива. Опыт 21 Вывод правила сложения сил, направленных под углом друг к другу Оборудование: набор по статике. Сложение сил, направленных по одной прямой, и перенос точки приложения силы вдоль этой прямой знакомо учащимся из курса восьмого класса. Поэтому изучение правил сложения и разложения сил можно ограничить случаем, когда силы направлены под углом друг к другу. Для проведения этого опыта на щите подвешивают пружину и оттягивают ее двумя динамометрами так, чтобы последние располо- жились под прямым углом и показывали 3 и 4 единицы (150 Г и 200 Г). Отмечают мелом положение колечка пружины и проводят риски по- зади динамометров, чтобы отметить направление сил (рис. 54, а). Затем один динамометр убирают, а другим оттягивают пружину так, чтобы колечко вновь оказалось на оставленной ранее метке. Рис- кой на щите отмечают новое положение динамометра и записывают его показание (рис. 54, б). Рис. 54. Вывод правила параллелограмма сил 63
Убрав динамометр, проводят мелом из отмеченной точки пря- мые через три риски и на этих прямых в произвольном масштабе строят три вектора сил (рис. 54, в). Соединив концы векторов, пока- зывают, что полученный четырехугольник — параллелограмм, а вектор равнодействующей представлен в нем диагональю. Вектор равнодействующей силы полезно начертить цветным мелом. Этим можно подчеркнуть, что равнодействующая не являет- ся третьей силой, действующей одновременно с двумя первыми, а заменяет эти силы. Иногда, без применения цветного мела, векторы составляющих сил зачеркивают. Правило сложения двух сил, направленных под углом- друг к другу, выведено из описанного выше опыта, исходя из определения равнодействующей как силы, эквивалентной по своему действию двум данным силам. Мерой действия служила деформация пружины. Проведенный опыт может служить достаточным основанием для введения понятия уравновешивающей силы. В описанном опыте сила натяжения пружины является уравновешивающей силой по отношению к двум составляющим или к их равнодействующей. U ПЫ т Изменение величины равнодейству- ющей силы в зависимости от угла 22 между составляющими Оборудование: набор по статике. Опытом, обобщающим частные случаи сложения сил, служит демонстрация зависимости величины равнодействующей силы от угла между составляющими. Уже имея понятие об уравновешивающей силе, учащиеся по ее величине и направлению могут судить о равнодействующей. В дан- ном опыте использован именно этот прием. 1. Установка для проведения опыта изображена на рисунке 55, на котором показаны четыре стадии проведения опыта. а) Две силы 3 ед. и 2 ед. действуют на узелок А и направлены в противоположные стороны, т. е. под углом в 180° друг к другу. Они уравновешены силой натяжения пружины динамометра, кото- рый показывает 1 ед. б) Передвигают держатели с блоками так, чтобы сила тяжести меньшего груза действовала на узелок А вертикально вниз, а ди- намометр сохранял бы горизонтальное положение (корректор ди- намометра должен быть установлен именно для такого положения). Это условие однозначно определит положение второго груза, при котором нити расположатся под некоторым тупым углом, а показа- ния динамометра увеличатся. в) Нить с подвешенным меньшим грузом, касающуюся блока справа, переводят на левую сторону блока и размещают держатели 64
Рис. 55. При уменьшении угла между соста- вляющими от 180° до 0° равнодействующая их увеличивается от разности составляющих до их суммы Рис. 56. Величина равно- действующей зависит от уг- ла между составляющими Рис. 57. При одной и той же равнодействующей ве- личина составляющих воз- растает с увеличением угла между ними от 0°до 180° блоков, чтобы нити образовали острый угол, а Динамометр по- прежнему оставался в горизонтальном положении. В результате такого размещения показание динамометра вновь увеличивается. г) Передвигая блоки, уменьшают угол между нитями до нуля. При этом динамометр показывает 5 ед. Опыт приводит к заключению, что при уменьшении угла между составляющими от 180° до 0 равнодействующая их увеличивается от разности составляющих (3 ед. — 2 ед. = 1 ед.) до их суммы (3 ед. + 2 ед. = 5 ед.). 2. Представляет некоторый интерес рассмотрение частного при- мера, когда величины составляющих сил равны между собой. Установка для такого опыта показана на рисунке 56. Сохраняя вертикальное положение динамометра, передвигают держатели с блоками, уменьшая и увеличивая угол между нитями в пределах от 0 до 180Q. При таком изменении угла между со- ставляющими силами динамометр показывает изменение урап- 3 Заказ 480 55
новешивающей, а следовательно, и равнодействующей силы, от 6 ед. доО. 3. В рассмотренном случае величины двух составляющих оста- вались постоянными, изменялся лишь угол между ними. От этого изменялась их равнодействующая. Большое практическое значение имеет другой случай, когда величина равнодействующей остается постоянной при изменении угла между составляющими. При этом изменяются величины составляющих. Это показывают на установ- ке, которая отличается от предыдущей тем, что грузы и динамометр в них поменялись местами (рис. 57). Передвигая держатели с бло- ками на этой установке, можно показать, что при одной и той же равнодействующей величины составляющих неограниченно воз- растают с приближением угла между ними к 180°. С подобным яв- лением приходится встречаться при подвешивании какого-либо гру- за (фонарь, трамвайный провод и т. д.) к горизонтально натяну- той проволоке. Опыт 23 Применение правила параллелограмма сил Оборудование: 1) динамометры с круглым циферблатом, 2) метр демонстрационный, 3) груз наборный в 1 кГ, 4) штатив универсальный, 5) пластины клинообразные с разными углами — 2 шт. Рис. 58. Определение сил натяжения нитей 66
Рис, 59. Установка для определения сил, развиваемых с помощью клина учащимися ставится задача: изве- Выведенные на предыду- щих опытах правила кон- кретизируются и закрепляют- ся многочисленными примера- ми и решением задач, в том числе экспериментальных. К последним относятся описан- ные ниже опыты. 1. Установка, изображен- ная на рисунке 58, модели- рует случай из строительной практики: груз, поднятый кра- ном на высоту стены строя- щегося здания, подтягивает- ся строителями к стене го- ризонтальным тросом. Перед стен вес груза — 800 Г; вычислить, применяя правило параллело- грамма, силы натяжения шнуров и проверить результаты непосред- ственным измерением этих сил. Чтобы получить данные, необходимые для вычислений, решают задачу графически: начертив вектор силы тяжести подвешенного на шнуре груза, проводят прямые, вдоль которых направлены силы натяжения шнура, действующие на груз. Считая силу тяжести груза уравновешивающей, чертят равный и противоположно нап- равленный вектор равнодействующей. Построением получают век- торы искомых составляющих. Измеряют демонстрационным метром расстояние от точки под- веса до штатива АВ = 30 см и высоту подвеса ВС = 40 см. Из по- добия треугольников, образованных элементами конструкции и векторами сил, находят: __ АВ, р ___ Р-АВ __ 800Г-30сл« г .— — р ~ — —0uU 1 • Р ВС ВС 40 см Ft f/-]/800T2-f- 6002Р = 1000 Г. Полученные числовые результаты проверяют измерением. За- цепляют крючком динамометра петлю на шнуре и натягивают шнур, пока не ослабнет петля на крючке штатива. При этом вся сила на- тяжения шнура будет перенесена с крючка штатива на крючок динамометра, который и покажет величину этой силы. Затем так же измеряют силу натяжения второго шнура. В демонстрационном эксперименте вычислительные операции не должны занимать много времени, поэтому величина груза и размеры элементов установки должны быть определены и подготов- лены заранее. Размеры установки легко регулируются перемеще- 3* 67
нием левого штатива в горизонтальном направлении и движением муфты с крючком вдоль стержня этого же штатива. 2. Установка для решения второй экспериментальной задачи собирается по рисунку 59. В желобки блоков входит плоский клин с проволочной петелькой для подвешивания груза. Из наборного груза на 1 кГ в этом опыте можно использовать, например, 300 Г. Из построения, выполненного на классной доске, можно ви- деть, что сила давления клина на блок больше веса груза во столь- ко раз, во сколько длина щеки клина больше ширины обуха. В дан- ВС ном случае, если — — 2, то эта сила будет равна 600 Г, что и по- АВ кажет каждый из динамометров. Опыт полезно провести с двумя клиньями, у которых указан- ное отношение выражено небольшими целыми числами, например 2 и 3. Клинья лучше всего вырезать из гетинакса, слоистого плас- тика, алюминия или тонкой фанеры, чтобы их весом можно было пренебречь. Опыт Вывод правила моментов 24 Оборудование: 1) набор по статике, 3) циркуль-измеритель демонстрационный. 2) метр демонстрационный, В отличие от традиционной поста- новки опыта, когда испытуемое тело имеет явно выраженную ось враще- ния и ему к тому же придается фор- ма диска, в описываемом опыте все точки равноправны и любая из них может служить началом отсчета плеч, а само тело имеет произвольную не- правильную форму. В такой поста- новке опыта правило моментов при- обретает более общий характер. На рисунке 60 изображена демон- страционная установка, подготовлен- ная для проведения опыта. В ней пластина неправильной формы удер- живается на трех динамометрах, уста- новленных на магнитных держате- лях. Показания динамометров выра- жены целыми числами. Для удобства отсчета плеч через точки приложения 68
сил проведены мелом прямые, вдоль которых действуют силы (в том числе и сила тяжести пластины). Разумеется, что установку надо собрать заранее и подготовить так, чтобы в полученных суммах моментов, направленных по ча- совой стрелке и против нее, значащие цифры были одинаковы. Со- бирая установку, надо скорректировать каждый динамометр приб- лизительно в том положении, в котором он будет действовать. После того как установка будет отрегулирована, все построения и записи на щите и пластине стирают влажной тряпкой. Пластину снимают, стараясь не сдвинуть держатели динамометров с места. Приступая к демонстрации опыта, определяют вес пластины. Для этого ее подвешивают к крючку того динамометра, который скорректирован для такого положения. Затем устанавливают на свободном месте щита держатель со штифтом и насаживают на штифт пластину отверстием, пробитым в центре тяжести. Повертывая пластину в различные положения, показывают, что отверстие в пластине совпадает с центром тяжести. Далее, не сдвигая держатели динамометров, прицепляют пла- стину к крючкам динамометров, как было заранее подготовлено. Пластина повисает на трех динамометрах и оказывается под дей- ствием четырех взаимно уравновешенных сил (четвертая — сила тяжести). Тонко заостренным куском мела проводят на пластине пря- мые, вдоль которых действуют силы, и с помощью демонстрацион- ного циркуля-измерителя и демонстрационного метра измеряют дли- ны плеч относительно произвольно выбранной точки б. Подсчитав суммы моментов, направленных по и против часовой стрелки, вы- водят правило моментов. Измерения и подсчет повторяют для любой другой точки, на- пример для точки а, где приложена одна из сил, и для точки в, взятой вне пластины. 0пЫП1 Применение правила моментов 25 Оборудование: 1) метр демонстрационный, 2) динамометр с круг- лым циферблатом, 3) груз наборный в 1 кГ, 4) штатив универсальный, 5) нить толстая белая. Описанные ниже опыты целе- сообразно провести в форме экс- периментальных задач. 1. С помощью динамометра определяют вес стержня от уни- версального штатива (прибли- зительно 800 Г), затем два оди- наковых стержня свинчивают вместе и кладут на стол, Задача Рис. 61. К задаче 1 на применение правила моментов 69
Рис. 62. К задаче 2 на применение правила моментов состоит в том, чтобы, применив правило моментов, определить силу, которую надо приложить к концу длинного стержня, чтобы приподнять его над столом (рис. 61). При решении задачи сначала выявляют все силы, действующие на стержень. Их три: сила тяжести, реакция опоры и искомая сила, приложенная к правому концу стержня. Из этих сил две неизвест- ны. Чтобы исключить из уравнения одно неизвестное, определяют моменты сил относительно левого конца стержня (точка приложе- ния силы реакции опоры) и записывают: 1600 • I = F • 2 I, от- Рис. 63. к задаче 3 на примене- ние правила моментов для опре- деления сил натяжения оттяжки кронштейна куда F — 800 Г. Результат проверяют экспери- ментально, приподняв конец стерж- ня с помощью динамометра. При этом динамометр показывает 800 Г. Во втором варианте задачи стер- жень кладут так, чтобы -i- или — его свешивалась над полом. 3 Решение и проверка такие же как в предыдущем варианте. 2. Длинный стержень от уни- версального штатива свинчивают с коротким1. • На конец короткого стержня навешивают с помощью колечка с крючком наборный груз. Величину груза подбирают так, чтобы стержень, уложенный на слегка разведенные лапки штатива, сохранял равновесие (рис. 62). В задаче требуется выяснить, одинаков ли вес левого длинного 1 Для этого в торце короткого стержня надо просверлить отверстие и нарезать резьбу. 70
стержня и правого короткого стержня с грузом. Считая по условию равновесия, что моменты сил тяжести левой и правой частей равны между собой, а левое плечо намного больше правого, находят, что правая часть должна быть тяжелее левой. Сделанный вывод подтверждают взвешиванием, для чего стержни развинчивают и с помощью динамометра взвешивают поочередно обе части. 3. На рисунке 63 изображена простейшая модель подъемного крана, собранная из деталей универсального штатива. Для полу- чения шарнирного соединения подкоса с вертикальным стержнем, которое позволяло бы ему поворачиваться только в вертикальной плоскости, применяют две поперечные муфты и короткий стержень. Посредством одной муфты короткий стержень в горизонтальном положении жестко скрепляется с вертикальным стержнем, а под- кос с помощью закрепленной на нем муфты свободно насаживается на выступающий конец короткого стержня. Винт этой муфты надо подтянуть так, чтобы он обеспечивал свободное вращение подкоса, но не допускал боковой качки. Задача состоит в определении силы натяжения горизонтальной оттяжки. Перед сборкой модели взвешивают динамометром подкос вместе с насаженными на нем муфтами и определяют его центр тя- жести. Плечи сил относительно оси вращения подкоса измеряют демонстрационным метром. Согласно данным, указанным на рисунке 63, будем иметь: F • 40 см = 400 Г • 40 см Д- 1000 Г • 20 см, или F = 90 Г. Вычислив по правилу моментов искомую силу, прицепляют ди- намометр к висящей на оттяжке петле и подтягивают им оттяжку, пока нить на крючке штатива не ослабнет. Показание динамометра сравнивают с полученным ранее числом. ОпЫГП Действие винта 26 Оборудование: 1) динамометр с круглым циферблатом, 2) метр демонстрационный, 3) модель винта демонстрационная, 4) штатив универсаль- ный, 5) нить толстая белая, 6) тиски слесарные, 7) модель домкрата. Приступая к изучению винта, необходимо в кратком вступле- нии привести учащимся различные известные и неизвестные им примеры применения винта, познакомить с различными формами и размерами резьб, дать понятие о шаге винта. В качестве иллюст- ративного материала можно воспользоваться, например, слесар- ными тисками, автомобильным домкратом или его учебной моделью. Подробное изучение действия винта целесообразно провести на демонстрационной модели винта, изображенной на рисунке 64. На этой модели отчетливо видна винтовая линия, можно легко с 71
Рнс. 64, Установка для изучения дей- ствия винта помощью демонстрационного метра измерить диаметр (около 7 см) и шаг винта (7 см). Верхняя, подвижная часть модели весит 1 кГ, что легко показать учащимся с помощью демонстрационного дина- мометра. Если ее вес заметно отличается от 1 кГ, то во время прове- дения опыта модель надо догрузить, как показано на рисунке 64. Опыт проводят для доказательства того, что отношение силы, прилагаемой к окружности винта, к силе, действующей вдоль его оси, равно отношению шага винта к длине его окружности. Установку собирают по рисунку 64. Стержень, прилагаемый к модели, удаляют, а на его место ввинчивают короткий винт. К это- му винту привязывают прочную белую нить, обертывают ее один или два раза вокруг цилиндра и прицепляют к крючку динамометра, закрепленного на штативе. Установив динамометр на нуль, отодвигают его от модели винта. При этом верхняя часть модели приподнимается. Чтобы приборы во время опыта не сдвигались друг к другу, штативы соединяют внизу стержнем. Затем достаточно энергично постукивают рукой по стержню. Эти удары одновременно передаются модели винта и ди- намометру и способствуют преодолению трения покоя, после чего можно производить отсчет по динамометру. Если применяется модель с указанными выше размерами и ве- сом, то динамометр показывает около 350 Г. Таким образом, сила, приложенная к окружности винта при его равновесии, приблизи- тельно в три раза меньше силы, действующей вдоль его оси (1 кГ), если шаг винта равен 7 см, а длина его окружности 21 см. Опыт можно повторить, нагрузив винт добавочным грузом в 1 или 2 кГ и увеличив таким образом силу, действующую вдоль оси, в два или три раза. Опыт виды упругих деформаций 27 Оборудование: I) прибор для демонстрации упругих деформа- ций, 2) резиновый жгут с шайбами из фанеры, 3) тиски слесарные, 4) гидрав- лический пресс. 72
Знакомство’учащихся с различными видами упругих деформа- ций целесообразно начинать с рассмотрения примеров, имеющих практический характер. Хорошей иллюстрацией для этого могут служить слесарные тиски или школьная модель гидравлического пресса. В тисках винт при завинчивании подвергается деформации кручения, в шейках губок происходит деформация изгиба, а за- крепленная в тисках деталь находится в состоянии сжатия. В ко- лонках пресса во время работы действует растяжение, в поршне — сжатие, в рукоятке — изгиб, а при продавливании отверстия в стальной пластинке — сдвиг. При демонстрации этих двух объектов, как и в большинстве технических устройств, деформации не поддаются непосредствен- ному наблюдению. Поэтому полезно, ведя речь о деформации ка- кой-либо детали устройства, показывать этот вид деформации на специальном учебном приборе (рис. 65). Главная деталь прибора —пластина из пористой резины разме- рами приблизительно 22 X 14 X 0,8 см, расчерченная белой краской на равные квадраты. Для демонстрации растяжения пла- стину берут двумя руками за концы и растягивают (рис. 66). При этом учащиеся наблюдают удлинение пластины в горизонтальном направлении и некоторое поперечное сжатие — в вертикальном. Форма клеток на пластине также соответственно изменяется. Рис. 65. Прибор для демонстрации видов деформации Рис. 66. Деформация растя- Рис. 67. Деформации сжатия (а), жения сдвига (б), изгиба (в) 73
Рис. 68. Деформация Рис. 69. Жгут Для демонстрации поперечного кручения сжатия при растяжении Сжатие демонстрируют на этой же пластине. Ее закладывают в плоскую вертикальную кассету с передней стенкой из органичес- кого стекла. Затем нажимают двумя руками на рейку, положенную поверх пластины, как показано на рисунке 67, а, и наблюдают уко- рачивание пластины в вертикальном направлении и некоторое рас- ширение в горизонтальном. Очень существенно, что при деформа- циях растяжения и сжатия продольная и поперечная деформации не компенсируют друг друга: в первом случае объем тела увеличи- вается, а во втором — уменьшается. Для демонстрации сдвига верхнюю и нижнюю рейки, между которыми слегка зажата пла- стина, сдвигают в противоположные стороны. Вследствие этого все горизонтальные параллельные линии сдвигаются относительно друг друга, сохраняя параллельность, а вертикальные линии ста- новятся наклонными (рис. 67, б). Заменяют в кассете нижнюю рейку двумя подставками, как по- казано на рисунке 67, в, кладут на них пластину и, нажимая на ее середину коротким брусочком, демонстрируют деформацию изгиба. По расположению линий на пластине замечают, что в нижней части пластины произошло растяжение, в верхней — сжатие, а длина средней части осталась без изменения. Для демонстрации деформа- ции кручения пластину оборачивают вокруг деревянного цилиндра и скручивают (рис. 68). При этом параллельные линии, нанесенные по образующим цилиндра, превращаются в винтовые линии. Демонстрацию поперечного сжатия при растяжении можно быст- ро и эффектно провести на приборе, изображенном на рисунке 69. Это толстый резиновый жгут (его можно заменить трубкой) с наса- женными фанерными шайбами, которые удерживаются трением. Для демонстрации жгут располагают вертикально и растягивают: все шайбы падают. ОПЫГП Наблюдение малых деформаций 28 Оборудование: 1) индикатор часового типа, 2) динамометр с круглым циферблатом, 3) зеркало плоское из набора для фронтальных ла- бораторных работ — 2 шт., 4) груз наборный в 1 кГ, 5) проекционный ап- парат, 6) эпидиаскоп, 7) планка деревянная (демонстрационный метр), 8) штатив универсальный. 74
Рис. 70. Механический индикатор деформации Чтобы обнаружить деформации, возникающие в отдельных ча- стях различных технических сооружений и устройств, применяют различные методы, с которыми полезно познакомить учащихся на простых демонстрационных установках. Заслуживают внимания механический и оптический методы обнаружения деформаций. 1. На деревянную планку (можно взять демонстрационный метр), лежащую горизонтально на двух опорах, ставят груз, на- пример 1 кГ. Под действием этого груза планка прогибается, но настолько незначительно, что заметить деформацию и оценить ее величину, хотя бы приблизительно, невозможно. Тогда под середи- ну планки подставляют динамометр и поднимают его на штативе, чтобы верхний штифт коснулся планки (рис. 70). Шкалу динамо- метра приводят к нулю и вновь нагружают планку. Стрелка дина- мометра повертывается и показывает, например, 2,5 деления. Учащимся сообщают, что зубчатая передача динамометра пере- мещает стрелку на одно деление, когда стержень передвигается на 1 мм. Следовательно, величина деформации в проведенном опыте равняется 2,5 мм. Важно подчеркнуть, что в данном опыте динамометр использу- ется не по своему прямому назначению, а в качестве индикатора малых перемещений, с которым он имеет большое конструктивное сходство. С подобным специальным техническим индикатором ча- сового типа, изображенным на рисунке 71, учащихся необхо- димо ознакомить подробнее в по- рядке подготовки к практикуму. Пользуясь эпископической проекцией, показывают сначала корпус прибора с циферблатом и стержень. Нажимая на ко- нец стержня 'и отпуская его, обращают внимание, что стер- Рис. 71. Индикатор часового типа 75
Рис. 72. «Световой рычаг» жень под воздействием находящейся внутри корпуса пружины воз- вращается в исходное положение. Затем показывают циферблат и движение стрелок при переме- щении стержня в ту и другую сторону. Определяют цену деления и демонстрируют способ установки на нуль. Различные части прибора приходится показывать раздельно потому, что невозможно одновременно получить на экране их оди- наково резкие изображения. В таком случае прибор перемещают и поворачивают, фокусируя ту его деталь, о которой в данный мо- мент рассказывает учитель. 2. Применение «светового рычага» позволяет обнаруживать гораздо более слабые деформации. В этом случае пользуются двумя зеркалами, установленными на концах той же планки, как пока- зано на рисунке 72. Световой пучок от проекционного аппарата, отразившись дважды от зеркал, образует на стене класса световой «зайчик» — изображение малого отверстия диафрагмы или щели, помещенной у конденсора. При подвешивании груза (такого же, как в первом опыте) к се- редине планки последняя прогибается, причем каждое из зеркал повертывается на некоторый угол а. Очевидно, что при этом свето- вой пучок, отраженный от левого зеркала, повернется на угол 2 а, а отраженный от правого зеркала повернулся бы на угол 4 а, если бы правое зеркало оставалось неподвижным. Но оно также повер- тывается на угол а, повертывая отражаемый им пучок еще на 2 а. Следовательно, отраженный от второго зеркала пучок повернет- ся на угол баи смещение светового пятна на стене будет весь- ма значительным. Уменьшая нагрузку на линейку, показыва- ют, что этим способом можно обнаруживать очень малые де- формации. При сборке демонстрационной установки необходимо отобрать из набора для фронтальных работ два таких зеркала, которые вполне устойчиво устанавливаются на планке. Зеркальная по- верхность у них должна быть достаточно хорощего качества, чтобы изображение диафрагмы или щели на стене не было раз- мытым. 76
Опыт 29 Предел упругости и остаточная деформация Оборудование: 1) линейка стальная 25 см, полоска такого же размера из алюминия и несколько полосок из стекла, 2) штатив универ- сальный. В лапке штатива закрепляют вертикально алюминиевую полос- ку, а над нею с помощью второго штатива устанавливают кольце- вую муфту (рис. 73). Отогнув слегка конец полоски, отпускают его и показывают, что полоска вернулась в прежнее положение, от- меченное кольцевой муфтой. Постепенно увеличивают изгиб, доби- ваясь получения заметной остаточной деформации. Эта часть опыта позволяет дать понятие о пределе упругости как наименьшей деформирующей силе, вызывающей остаточную деформацию. Далее, действуя силами, значительно превышающими предел упругости, показывают увеличение остаточной деформации. Рис. 73. Демонстрация пре- дела упругости и остаточ- ной деформации Рис. 74. Установка для демонстра- ции закона Гука и определения мо- дуля упругости 77
Повторяют опыт со стальной линейкой и убеждаются, что по- следняя обладает значительно большим пределом упругости. За- менив стальную линейку стеклянной полоской, показывают,- что предел прочности у стеклянной полоски при обычной температуре меньше предела упругости: полоска ломается, не давая остаточ- ных деформаций. Опыт 30 Заном Гука и определение модуля упругости Оборудование: 1) метр демонстрационный, 2) грузы в 1 и 2 кГ, 3) рычаг демонстрационный, 4) блок на стержне, 5) штатив универсальный, 6) шкала и стрелка бумажные, самодельные, 7) груз добавочный, около 200 Г, 8) проволока стальная диаметром 0,3 мм, длиной 120 см, 9) лабораторный прибор для изучения деформации растяжения. Из деталей универсального штатива собирают узкую высокую раму, на которой закрепляют блок на стержне и ось демонстра- ционного рычага, как показано на рисунке 74. На левое плечо ры- чага надевают два хомутика: слева — крючком вниз, справа — крючком вверх. Стальную проволоку диаметром 0,3 мм привязы- вают к верхней перекладине рамы и, обернув один раз вокруг блока, привязывают ее нижний конец к крючку хомутика, надетого на рычаг. К блоку приклеивают пластилином стрелку, вырезанную из ватманской бумаги, с ребром жесткости по всей ее длине. Длина стрелки, считая от оси блока, должна быть в двадцать раз больше его радиуса. Бумажную шкалу с десятью делениями по 2 см, наде- тую на отрезок проволоки, подвешивают так, чтобы конец стрелки передвигался под краем шкалы на расстояние в 2—3 мм. Особое внимание надо уделить подвязыванию концов проволоки, так как неумелая подвязка чаще всего служит причиной неудач. Один из лучших способов подвязки проволоки схематически пока- зан на рисунке 75. После сборки установки на левый конец рычага навешивают до- бавочный груз 150—200 Г для выравнивания проволоки. Его не снимают и во время проведения опыта. Затем несколько раз на- Рис. 75. Способ подвязывания проволоки тягивают и отпускают проволоку, подвешивая на расстоянии 4 дм от оси рычага груз в 2 кГ. Если пос- ле таких проб стрелка возвращается в прежнее положение, устанавливают стрелку на нуль. Для этого поверты- вают стержень блока в муфте и при- водят стрелку в плоскость шкалы; затем приподнимают рычаг, поверты- вают блок со стрелкой и устанавли- 78
Рис. 76. Расположение лабораторного прибора при его демонстрации вают ее на нулевое деление. Теперь удлинению проволоки на 1 мм будет соответствовать перемещение конца стрелки на одно деление. Приступая к проведению опыта, сначала подвешивают груз 2 кГ на расстоянии 4 дм от оси рычага и, определив удлинение проволоки (7,5 мм), снимают груз. Стрелка при этом возвращается на нуль. Этот опыт показывает учащимся, что предел упругости превышает 8 кГ. Исследование зависимости величин деформации от деформирую- щей силы проводят в следующем порядке: груз в 1 кГ подвешивают на расстоянии 1 дм от оси рычага, т. е. непосредственно под прово- локой. Записывают в таблицу величину силы (1 кГ) и соответствую- щее ей удлинение и передвигают хомутик с грузом на следующее деление рычага. От этого величина деформирующей силы увеличи- вается до 2 кГ и соответственно увеличивается удлинение проволоки. Эти результаты вновь записывают в таблицу. Перемещение груза в 1 кГ до конца рычага позволяет увеличивать силу до 5 кГ. Далее на расстоянии 3 дм от оси подвешивают груз 2 кГ. Передвигая его влево, увеличивают деформирующую силу до 8 кГ. Результаты опытов, проведенных на описанной установке, пред- ставлены в помещенной ниже таблице. F, кГ 1 2 3 4 | 5 6 7 8 Л1, мм 0,9 2 2,8 3,8 4,7 5,7 6,6 7,5 График, вычерченный по полученным данным, может служить основанием для формулирования закона Гука. Затем измеряют де- монстрационным метром длину проволоки (100 см — от точки под- веса до точки касания с блоком) и определяют модуль упругости для испытанного образца стали: FI 8кГ-100си , _ ,кГ Е =----------------------------= 17. Ю6------ AZS 0,75см • 3,14.0,0152см2 см2 79
В порядке подготовки к предстоящему практикуму необходимо ознакомить учащихся с прибором для изучения деформации рас- тяжения, с которым им придется иметь дело в одной из лаборатор- ных работ практикума. Для демонстрации прибора его надо рас- положить так, как показано на рисунке 76. Разъясняя устройство и действие прибора и сравнивая его с только что показанной демонст- рационной установкой, надо обратить внимание учащихся на сле- дующие особенности: в приборе измеряется удлинение не всей про- волоки, а лишь участка ее, ограниченного двумя ползунками. На- тяжение проволоки осуществляется колком с червячной передачей, а измерение силы натяжения — пружинным динамометром. Для измерения удлинения служит индикатор часового типа. 0пЫ1П Демонстрация процесса растяжения и разрыва стержня Оборудование: 1) гидравлический пресс с принадлежностями для разрывания стержня, 2) проекционный аппарат, 3) штатив универсаль- ный, 4) экран. Приспособление для разрывания стержня с заложенным в него образцом устанавливают между колонками гидропресса1. С проек- ционного аппарата снимают объектив и устанавливают его на преж- ней высоте с помощью штатива. Осветитель и конденсор сдвигают по направляющим вперед и располагают так, чтобы середина под- Рис. 77. Установка для демонстрации растяжения и разрыва- ния стального стержня 1 По образцам, прилагаемым к гидравлическому прессу, в школьных мастерских надо изготовить несколько запасных стержней. 80
готовленного для разрывания стержня ока- залась между конденсором и объективом, по возможности ближе к конденсору (рис. 77). Высота гидропресса такова, что при этом проецируемая часть стержня ока- зывается на оптической оси проекционно- го аппарата. Включают осветитель и, передвигая объектив, добиваются получения на экра- не резкого изображения стержня (рис. 78). Действуя рукояткой пресса, постепен- но растягивают стержень. На экране наб- людают образование шейки и разрыв стер- жня в наиболее узком месте. Рис. 78. Образование шейки у стержня перед разрывом (проекция) Опыт Разрыв стеклянной нити 32 Оборудование: 1) набор гирь демонстрационный, 2) пить сте- клянная диаметром около 0,5 мм, 3) штатив универсальный, 4) проволока стальная или медная диаметром около 1 мм, 5) небольшой мешок с песком. Рис. 79. Установка для разрыва стек- лянной нити Перед демонстрацией опы- та подготавливают стеклян- ную нить. Концы стеклянной палочки диаметром около 5 мм разогревают в пламени газовой горелки или паяль- ной лампы и делают на них небольшие утолщения. Затем к концам палочки привязы- вают проволочные петли (рис. 79, справа). Подготов- ленную таким способом па- лочку снова разогревают до размягчения, но теперь посе- редине и, растянув в нить, дают остыть до комнатной температуры. Подвешивают нить на шта- тиве, как показано на рисун- ке, и подвергают растяже- нию. Сначала подвешивают груз в 1 кГ, затем 2 кГ и т. д., пока нить не разорвет- ся, Чтобы гири при падении 81
Рис. 80. При- бор для демон- страции упру- гой деформа- ции стекла не портили крышку стола, под них подкладыва- ют мешочек с песком. Стеклянная нить диаметром 0,5 мм выдержи- вает перед разрывом груз в 4 кГ и при небольшом увеличении нагрузки обрывается. Опыт помогает подчеркнуть различие между прочностью и хрупкостью. Оказывается, хрупкое стекло обладает большой прочностью при дефор- мациях растяжения. Опыт Упругая деформация стеклянной колбы 33 Оборудование: 1) колба литровая плоскодон- ная, 2) трубка стеклянная 40—50 см, 3) пробка резиновая или корковая. Этот опыт показывают на заранее подготов- ленном самодельном приборе. Стеклянную трубку диаметром около 5 мм плотно вставляют в отвер- стие пробки. В колбу наливают доверху воду, под- крашенную несколькими каплями растворенного в спирте флюоресцина. Пробку с трубкой плотно вставляют в горлышко колбы, чтобы в последней не оставался воздух. При этом вода частично вытес- няется в трубку и поднимается приблизительно до половины ее высоты. Чтобы можно было фиксировать уровень воды в трубке, на нее надевают небольшой экранчик из полоски плотной бумаги. На концах полоски выре- зают отверстия для трубки и концы с отверстия- ми сгибают. Затем наносят тушью на середине полоски отчетливую черту и надевают полоску на трубку (рис. 80). Опыт заключается в следующем. Подводят экранчик чертой к уровню воды в трубке и берут колбу в руки. Не нажимая на колбу пальцем, обращают внимание учащихся, что небольшое нагрева- ние прибора от рук не вызывает заметного изменения уровня. Затем нажимают пальцем на дно колбы и демонстрируют, как одновре- менно с нажимом уровень воды в трубке заметно повышается. § 4. КРИВОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ Среди приборов, применяемых для проведения опытов по вра- щательному движению, особого внимания заслуживает вращаю- щийся диск с принадлежностями. Реконструированный набор (рис. 81) состоит из следующих де- талей. 82
Стальной диск 1 диамет- ром 430 мм с отверстиями диаметром 5 мм для крепле- ния деталей и центральным отверстием диаметром 27 мм для установки на шарико- подшипнике. Шариковый подшипник 2 с гайкой и коротким стер- жнем. Чугунная тренога 3 с дву- мя уравнительными винтами. Двухступенчатый шкив 4 с отношением диаметров 1 :2. Маятниковый тахометр 5 с делениями 0,5 и 1 об/сек. Желоб 6 с делениями для измерения радиуса вращения; на одном конце желоба уста- новлен ролик. Два стальных катка 7 с массами 250 г и 500 г. На оси каждого катка прикреплена дужка для зацепления тесь- мы и вертикальный указатель для отсчета радиуса враще- Рис. 81. Вращающийся диск с принад- лежностями НИЯ. К каткам придана тесьма с карабином, крючком и пряжкой. Дуга 8 с муфтой и шариком на нити. Трубка 9 с проволочным желобком и стойкой. Стержень 10 длиной 10 см с острием и резьбой для насаживания на стержень универсального штатива. Детали набора хранятся в специальном ящике. Особенность данного набора состоит в том, что он не обособлен от других приборов физического кабинета. Это характерно и для многих других современных учебных приборов. Его детали тща- тельно согласованы с такими приборами, как динамометр с круг- лым циферблатом, метроном, универсальный штатив и др. Примене- ние этих приборов вместе с деталями набора необходимо при сборке многих демонстрационных установок. Основой набора служит диск на шариковом подшипнике. Без него остальные детали набора не употребляются. К качеству этого основного прибора предъ- являются особенно высокие требования: диск должен быть тща- тельно центрирован, обладать достаточной жесткостью и легким ходом. 83
OnbllTI Движение тела, брошенного горизонтально Оборудование: 1) прибор для демонстрации независимости дей- ствия сил и движения тела по параболе, 2) метр демонстрационный. Основанием применяемого в этом опыте прибора служит па- нель 1 (рис. 82) с прямоугольным вырезом 2 для крепления в лапке штатива и двумя отверстиями 3 для насаживания на шурупы, ввер- нутые в раму классной доски. На панели подвешен стержень 4. Нижний конец стержня отогнут под прямым углом и на него сво- бодно насажен стальной шарик 5, просверленный на две трети диа- метра. Второй шарик 6 устанавливается на горизонтальной полке кронштейна 7, в которой выдавлена небольшая лунка. Оба шарика закалены. Упругая скоба 8 служит упором, ограничивающим дви- жение стержня вправо, а также зажимом для обоих шариков при хранении прибора. Для демонстрации движения тела, брошенного горизонтально, прибор насаживают на два шурупа, ввернутых слева в раму клас- сной доски, как показано на рисунке 83. Шарик 6 зажимают под правый конец скобы 8, а кронштейн 7 повертывают, освобождая путь для шарика 5. На расстоянии 98 см, где будет падать шарик, на лоток доски кладут смоченную водой большую тряпку. Взяв рукой шарик, отводят его вместе со стержнем влево на высоту, равную длине стержня (30 см), и отпускают. Шарик вместе со стержнем падает, описывая дугу. Достигнув упора, стержень останавливается, а шарик продолжает по инерции двигаться гори- зонтально и под действием силы тяжести описывает параболу. По- ложенная на лоток тряпка полностью поглощает энергию шарика, он остается на месте своего падения. Анализируют движение шарика, рассматривая его как свобод- ное падение в системе координат, перемещающейся равномерно в горизонтальном направлении со скоростью, достигнутой шариком к моменту соскальзывания со стержня. Время падения определяют по формуле: , /'2Й /'2^80 п t= д / — = д /-----= 0,40 сек. у g у 1000 Далее определяют пути (5 см, 15 см, 25 см и 35 см), проходимые при свободном падении за последовательные равные промежутки времени, по 0,1 сек каждый, и соответствующие отрезки отмечают вдоль левого края доски. Путь, пройденный упомянутой выше системой координат в го- ризонтальном направлении, делят на четыре равных отрезка и на 84
Рис. 82. Прибор для демонстрации незави- симости действия сил и движения тела по параболе Рис. 83. Установка для исследования дви- жения тела, брошенного горизонтально пересечениях вертикалей и горизонталей, проведенных через точки деления, находят положения шарика в каждый из рассматриваемых моментов. Проведя через найденные точки плавную кривую, по- лучают траекторию движения шарика. Опыт повторяют и показывают учащимся полное совпадение траектории движения с вычерченной параболой. Основная часть опыта на этом заканчивается. Однако полезно продолжить анализ результатов опыта: 1) вычислить по уравнению v = V2gH скорость вылета шарика *>= /2.1000-30 = НПО3 4 5 « 240 —; сек 2) вычислить по уравнению vt — gt вертикальные составляю- щие скорости в каждый из выбранных моментов времени: ^100—; о2=^200 —; щ^ЗОО—; у4^400 —; сек сек сек сек 3) построением определить мгновенные скорости движения ша- рика по параболе; 4) вычислить дальность падения шарика и сравнить ее с расстоя- нием, на которое на самом деле упал шарик. 85
ОпЫГП Одновременное падение двух тел 35 „о параболе и вертикали Оборудование: 1) прибор для демонстрации независимости дей- ствия сил и движения тела по параболе, 2) штатив универсальный. Прибор, описанный в предыдущем опыте, закрепляют верти- кально в лапке штатива, установленного на демонстрационном столе. Просверленный шарик насаживают отверстием на отогну- тый конец стержня, а второй шарик укладывают в лунку кронштей- на; при этом оба шарика оказываются на одной высоте. Отведя шарик на стержне влево, отпускают его. Достигнув упора, стержень останавливается, а шарик продолжает движение по инерции и достигает шарика, лежащего на полке кронштейна. При прямом упругом ударе первый шарик останавливается, пере- дав полностью свое количество движения второму шарику. Верти- кальное падение первого шарика и движение второго по параболе начинаются одновременно. Так же одновременно слышны удары шариков о крышку стола. Опыт полезно повторить несколько раз. Опыт Движение тела, брошенного под углом к горизонту 36 Оборудование: 1) метр демонстрационный, 2) циркуль-измери- тель демонстрационный, 3) бачок водонапорный с резиновой трубкой и на- конечником, 4) столик подъемный, 5) штатив универсальный, 6) кювета для опытов с водой. После опыта 34, в котором движение тела, брошенного гори- зонтально, было исследовано достаточно подробно, опыт с движе- нием тела, брошенного под углом к горизонту, целесообразно про- вести в порядке подготовки к предстоящему практикуму. В этом опыте надо раскрыть зависимость дальности падения и высоты под- нятия тела от угла бросания. Эту зависимость удобно наблюдать с помощью водяной струи. Установка для проведения опыта изображена на рисунке 84. Наконечник для получения водяной струи (см. рисунок в кружке) представляет собой металлическую трубку, закрытую с одного конца, с отверстием около 1 мм, просверленным на ее боковой по- верхности. Наконечник через эбонитовый кран соединяют рези- новой трубкой с водонапорным бачком и зажимают в горизонталь- ном положении в муфте штатива. Демонстрационный метр устанав- ливают горизонтально в двух таких же муфтах и располагают так, чтобы нулевое деление шкалы было против наконечника. Открыв кран, повертывают наконечник, добиваясь наибольшей дальности вытекания струи. Затем наконечник зажимают в муфте и 86
Рис. 84. Демон- страция зависимо- сти дальности па- дения и высоты поднятия тела от» угла бросания устанавливают водонапорный бак на такой высоте, чтобы дальность падения воды равнялась 60 см (число, удобное для деления на 2 и 4), и закрывают кран. На этом заканчивается подготовка установки. В начале демонстрации струю направляют горизонтально, затем постепенно увеличивают угол наклона к горизонту от 0 до 90°. Обращают внимание, что при увеличении угла дальность полета струи сначала возрастает, а затем начинает убывать н при угле в 90° равна нулю. Высота же непрерывно увеличивается п достигает максимума при угле 90°. Повторяя отдельные этапы опыта, устанавливают, что наиболь- шая дальность (60 см) достигается при угле в 45°. При этом с по- мощью циркуля-измерителя находят, что высота подъема струп рав- на 15 см. Когда струя направлена вертикально вверх, высота под- нятия достигает максимальной величины и равна 30 см — полови- не максимальной дальности. Если t — время достижения частицей воды вершины траекто- рии (рис. 85), vr — горизонтальная составляющая начальной ее скорости, va — вертикальная составляющая, I — дальность, то — .t=h, a vr-2t = l. Но ог=ив, следовательно, — . 2/ = I, т. е. 2 I h = При угле в 45° вертикальная составляющая начальной ско- Рис. 85. Траектория движения тела, брошенного под углом 45° к горизонту 87
V рости а при вертикальном направлении струи начальная ее скорость равна v. Как видно из формулы v2 = 2 gH, высота подня- тия пропорциональна квадрату начальной скорости. Тогда -у == а2 . (-У“2; — = 2 или // = 2Л. Приведенные рассуждения могут предшествовать выполнению опыта. Однако ими можно воспользоваться и после проведения эксперимента для обоснования полученных результатов. В заключение следует ознакомить учащихся с оборудованием работы практикума «Изучение движения тела, брошенного горизон- тально, вертикально и под углом к горизонту»1, с устройством бал- листического пистолета и обращением с ним. Опыт Линейная и угловая скорости вращаю- щегося тела 37 Оборудование: 1) вращающийся диск, 2) сирена дисковая 3) машина центробежная с червячной передачей, 4) штатив универсальный, 5) тесьма 1,5 м, 6) точило ручное, 7) напильник. Для выяснения понятий о линейной и угловой скорости соби- рают модель ременной передачи, изображенной на рисунке 86. Роль шкивов выполняют вращающийся диск и дисковая сирена. Рис. 86. Ременная передача для выясне- ния понятий о линей- ной и угловой ско- рости 1 А. А. Покровский и др., Практикум по физике в средней шко- ле, М., Учпедгиз, 1963, стр. 60—65. S3
Их диаметры относятся при- близительно, как I : 2. Дис- ки охватываются матерчатой тесьмой1 шириной около 2 см и устанавливаются строго в одной плоскости. Только в та- ком случае получится надеж- ная ременная передача и тесь- ма во время опыта не будет сползать. Чтобы было удобно вращать диск с небольшой Рис. 87. Поток искр направлен по касательной к поверхности точиль- ного камня что точки, одинаково удаленные скоростью, рукоятку центро- бежной машины ввинчивают в торец шпинделя, вывинтив из него крючок. Приступая к объяснениям, показывают, от оси вращения, имеют одинаковые линейные и угловые ско- рости. Для этого наносят мелом на верхнем диске точки 1 и 2 и повертывают его на ± оборота, оборота и на полный оборот. Обе точки проходят за одно и то же время одинаковые пути и про- веденные через них радиусы повертываются на одинаковые углы. Затем оставляют на диске точку 2 и наносят точку 3. Поверты- вая диск, показывают, что радиусы, проведенные через эти точки, повертываются на один и тот же угол, но путь, пройденный точ- кой 2 вдвое больше пути, пройденного точкой 3. Следовательно, эти точки имеют одинаковые угловые, но разные линейные скорости. Повертывают верхний диск так, чтобы точка 1 расположилась внизу, и против нее на нижнем диске наносят точку 4. Повертывают нижний диск на целый оборот и обращают внимание учащихся, что верхний диск при этом повернулся менее чем на— оборота, хотя пути, пройденные обеими точками, одинаковы. Отсюда следует, что линейные скорости точек 1 и 4, лежащих на окружностях дисков, а также линейная скорость ремня равны между собой. Угловые же скорости этих точек различны. Чтобы показать, как направлена линейная скорость при вра- щательном движении, приводят в быстрое движение наждачный круг ручного точила и прижимают к нему какой-либо стержень из закаленной стали, например напильник (рис. 87). Тонкий пучок искр, вырывающийся из-под стержня, направлен по касательной к окружности. Направление движения раскаленных частиц стали и есть направление их мгновенной скорости. 1 Вместо тесьмы можно взять изношенные измерительные ленты из на- бора для фронтальных лабораторных работ. 89
Опыт Возникновение центростремительной силы 38 Оборудование: 1) вращающийся диск, 2) уровень. В качестве одного из примеров возникновения центростремитель- ной силы целесообразно показать движение катка на вращающемся диске. Для демонстрации этого опыта диск располагают на подстав- ке с уравнительными винтами. Чтобы установить диск строго горизонтально, на него кладут уровень и повертывают диск сначала так, чтобы уровень занял по- ложение а (рис. 88). Действуя винтом 1, добиваются горизонталь- ного положения уровня, затем повертывают диск на 90°, чтобы уро- вень оказался в положении б, и проделывают ту же операцию, дейст- вуя винтом 2. После этого для контроля повертывают диск вокруг оси; горизонтальность уровня должна сохраняться во всех поло- жениях. Закрепляют на диске желоб и из двух катков, прилагаемых к диску, выбирают более массивный. Прикрепляют каток тесьмой к ролику и ставят на желоб. Длину тесьмы подбирают так, чтобы ра- диус вращения катка не превышал 30 см. Для демонстрации возникновения центростремительной силы каток ставят на 10—15 см от оси диска и вращают диск (рис. 89). При повороте каток катится по желобу, двигаясь по инерции пря- молинейно, пока не натянется тесьма. Сила натяжения тесьмы является центростремительной силой: она искривляет траекторию движения катка, заставляя его двигаться по окружности. Опыт повторяют, освободив каток от тесьмы. Каток двигается, как и в предыдущем опыте, но роль центро- стремительной силы в этом случае выполняет реакция какого-либо упора, закрепленного на наружном конце желоба. 5 i 1^-4 2 fl Рис. 89. Установка для демонстра- ции возникновения центростремитель- ной силы Рис. 88. Применение уровня Для горизонтальной установки диска 90
Опыт Измерение угловой скорости тахометром 39 Оборудование: 1) вращающийся диск, 2) метроном, 3) центро- бежная машина, 4) модель центробежного регулятора, 5) электродвигатель универсальный, 6) диск стробоскопический, 7) лампа люминесцентная, 8) реостат на 400—600 ом, 9) уровень, 10) штатив универсальный, 11) ящик- подставка. 1. Вращающийся диск с закрепленным на нем маятниковым тахометром (рис. 90) устанавливают строго горизонтально с по- мощью уровня (приемы такой установки подробно описаны в пре- дыдущем опыте). Охватив ладонью ось под диском и нажимая большим пальцем на шкивок, раскручивают диск, пока маятник тахометра не выйдет за пределы шкалы. Обращают внимание уча- щихся на постепенное опускание маятника по мере уменьшения угловой скорости. Это наблюдение помогает учащимся понять, что по положению маятника можно судить о величине угловой скорости. Далее пускают метроном, настроенный на 120 ударов в минуту, и, приведя диск в движение, поддерживают такую постоянную ско- рость, чтобы маятник тахометра устойчиво удерживался на сред- нем крупном делении. Одновременно громко отсчитывают удары метронома: раз, два, три, четыре; раз, два, три четыре... с ударением на раз. В эти моменты каждый раз диск занимает одно и то же поло- жение: следовательно, он делает один оборот за 2 сек. Увеличив скорость вращения вдвое, тем же способом показы- вают, что второе крупное деление тахометра соответствует угловой скорости 1 об/сек. Проведенный опыт, так же как и предыдущий, подготавливает учеников к применению этого прибора в дальнейшем исследовании зависимости центростремительной силы от массы тела, угловой скорости и радиуса вращения (опыт 40). Кроме того, проведенный опыт познакомит учащихся со случаем, когда составляющая силы тяжести выполняет роль центростремительной силы. 2. Тахометр, установленный на вращающемся диске, очень прост по устройству, но имеет узко специальное назначение и по- казывает правильно, только находясь на определенном расстоянии от оси вращения. Тахометры, применяемые в технике, действуют на том же принципе, но устройство их значительно сложнее. Такие тахометры не приспособлены для демонстрации, поэтому для объяс- нения их устройства приходится прибегать к модели. Модель центробежного тахометра собирают по рисунку 91. В этой модели для передачи движения бумажной стрелке исполь- зуется разрез паропровода с дроссельной заслонкой. Прибор уста- навливают тыльной стороной к учащимся, чтобы они видели лишь рычажный механизм. Стрелку с ребром жесткости вдоль всей ее 91
Рис. 90. Демоист'рационный тахометр для определе- ния угловой скорости вращающегося диска Рис. 91. Модель центробежного Рис. 92. Стробоскопичес- тахометра кий диск Рис. 93. Установка для демонстрации стробоскопического ме- тода определения угловой скорости
длины вырезают из ватманской бумаги и приклеивают пластилином к оси дроссельной заслонки. При отсутствии вращения стрелка должна быть расположена горизонтально. Демонстрация состоит в следующем. Приводят центробежную машину во вращение, постепенно увеличивая скорость. Шарики ре- гулятора расходятся и поднимают вилку рычажного механизма, который отклоняет стрелку вверх. 3. Заслуживает внимания и стробоскопический метод определе- ния угловой скорости. Для демонстрации этого метода на вал уни- версального электродвигателя насаживают картонный диск диа- метром около 18 см, вычерченный черной тушью, как показано на рисунке 92. Диск ярко освещают люминесцентной лампой и вклю- чают электродвигатель. Уменьшая сопротивление реостата, посте- пенно увеличивают число оборотов вала, пока наружное кольцо диска не станет казаться неподвижным. Причина кажущейся не- подвижности заключается в следующем. На кольце размещено 12 черных и 12 белых секций. Частота переменного тока осветительной сети 50 гц, а лампа дает две вспышки за период, т. е. 100 вспышек в секунду. Очевидно, что если за время в 0,01 сек между двумя вспы- шками на место белой секции будет становиться ближайшая такая же секция, то кольцо будет казаться наблюдателю неподвижным. В таком случае кольцо делает полный оборот за 0,01 сек • 12 = „ 100-60 спп е, = 0,12 сек, а его угловая скорость —^—=500 oojMUH, что и ука- зано на одной из секций этого кольца. При дальнейшем увели- чении скорости поочередно кажутся остановившимися все после- дующие кольца. Установка для проведения описанного опыта изображена на рисунке 93. Подставка под электродвигатель подбирается такой высоты, чтобы весь диск был виден учащимся и ярко освещался люминесцентной лампой. Помещение класса лучше затемнить. иПЫШ Зависимость центростремительной си- лы от массы тела, скорости и радиуса 4-0 вращения Оборудование: 1) динамометр с круглым циферблатом, 2) вра- щающийся диск с принадлежностями, 3) штатив универсальный, 4) уровень. При сборке установки, изображенной на рисунке 94, ось диска вставляют в отверстие подставки с двумя уравнительными винтами. Затем на оси диска собирают раму из деталей универсального штати- ва и на ее верхней перекладине закрепляют динамометр. Все части установки необходимо так отрегулировать, чтобы желоб и тахометр, установленные на диске, при вращении не задевали за раму, а крю- чок динамометра был точно под осью диска. Крепления желоба и 93
Рис. 94. Установка для демонстра- ции зависимости центростремитель- ной силы от массы, скорости и ра- диуса вращения тела тахометра на диске должны допускать свободный их поворот при случайном задевании. В наборе принадлежностей к диску имеются два катка с масса- ми 250 и 500 г. Один из них ставят на направляющие рейки желоба и соединяют с крючком динамометра специальной тесьмой, имею- щей пряжку (для изменения длины), и на верхнем конце — кара- бин, предотвращающий закручивание. Подготовленную таким образом установку переносят на демон- страционный стол и устанавливают горизонтально по уровню (см. опыт 38). Для демонстрации зависимости центростремительной силы от массы тела каток меньшей массы подвешивают к крючку динамо- метра и показывают, что масса его равна 250 г. Затем кладут каток на желоб, соединяют его тесьмой с крючком динамометра и, подтя- гивая пряжку, помещают каток на расстоянии 30 см от оси диска. Применяя прием, описанный в опыте 39, приводят диск от руки в движение и поддерживают постоянную скорость 1 об/сек. При этом обращают внимание, что динамометр показывает 300 Г. Опыт по- вторяют с катком удвоенной массы (500 а), при этом величина цент- ростремительной силы, которую показывает динамометр, оказы- вается равной 600 Г. С уменьшением скорости диска до 0,5 об!сек показание динамо- метра уменьшается до 150 Г. Подтягивают пряжку на тесьме и уменьшают радиус вращения до 15 см. При скорости 1 об/сек динамометр показывает 300 Г. Полученные результаты записывают в таблицу. 94
m, г п, об/сек R, см F, Г 250 1 30 300 500 1 30 600 500 0,5 30 150 500 1 15 300 Результаты опытов позволяют сделать вывод, что величина центростремительной силы прямо пропорциональна массе тела, радиусу вращения и квадрату угловой скорости. Полезно подставить в формулу F = 4л2 т Rn2 данные одного из опытов, вычислить величину центростремительной силы и убе- диться, что она совпадает с соответствующим показанием динамомет- ра. Например, при т = 500 г, R = 30 см и п = 1 об/сек. центростре- мительная сила F = 600 Г. ОпЫГП Экспериментальные задачи на вращательное движение Оборудование: 1) метр демонстрационный, 2) центробежная до- рога, 3) шарики разной массы, 4) центробежная машина, 5) диск с цепочкой, 6) электродвигатель универсальный, 7) реостат на 400—600 ом, 8) штатив универсальный. 1. На приборе (рис. 95) определяют, с какой минимальной вы- соты надо пустить шарик, чтобы он обегал петлю, не отрываясь от нее в верхней точке. Проще всего эта задача решается на основании закона сохранения энергии. В искомой точке 1 потенциальная энергия шарика относительно уровня 2 равна mgh. Она превращается в кинетическую энергию, равную в точке 2 Считая, что энергия превращается без каких-либо потерь (враща- тельное движение шарика во- круг своего центра не учиты- вается), находим: mu2 , V2 , — = mgh, или — = gh. Сила тяжести в верхней точке петли есть центростре- мительная сила, поэтому mu2 9 п mg= —, откуда u==gR. Рис. 95. Центробежная дорога 95
Рис. 96. Рамка с двумя телами нерав- ной массы Рис. 97. Сбрасывание цепочки с вращающегося диска Подставляя найденное значение в предыдущее равенство, по- лучим gR и и R — = gh, или h = 2 s 2 Измерив демонстрационным метром найденную высоту на жело- бе, пускают шарик и наблюдают его движение по петле. При пуске с меньшей высоты шарик падает, не достигнув верхней точки. 2. Рамку с двумя шариками неравной массы (рис. 96) закреп- ляют в патроне центробежной машины. Шарики, связанные шнур- ком, раздвигают и центры их располагают на равных расстояниях от оси вращения. Если теперь прибор привести во вращение, то больший шарик переместится к краю скобы и увлечет за собой мень- ший. Учащимся предлагают определить, как надо разместить на стержне шарики, чтобы при вращении они сохранили свое по- ложение. Учитывая, что центростремительные силы, действующие на оба шарика, при этом условии должны быть равными, получим mi(a2Ri = m^R^, или m\Rv= = m.2R2. Таким образом, расстоя- ния шариков от оси враще- ния должны быть обратно пропорциональны их массам. Придав шарикам приблизи- тельно такое положение, по- Рис. 98. К объяснению возникновения называют, что даже при зна- центростремительной силы у вращающейся чительной скорости вращения цепочки ’ шарики остаются на месте. 96
Опыт обязательно должен проводить сам учитель. Скорость вра- щения не следует чрезмерно увеличивать, так как неизбежная не- точность в установке шариков вызовет при большой скорости сме- щение шариков, что может привести к поломке прибора. 3. Специальный шкивок с надетой на него замкнутой в кольцо цепочкой закрепляют на валу универсального электродвигателя (рис. 97). При максимальном числе оборотов двигателя цепочку с помощью картонной полоски сбрасывают со шкива. Она катится по столу, подпрыгивая и преодолевая препятствия, как жесткое и упругое кольцо. Учащимся предлагают объяснить природу центростремитель- ной силы, действующей на каждое из звеньев цепочки. В начале движения каждое звено цепочки движется по инерции прямолиней- но, пока цепочка не натянется. Каждое звено теперь удерживается на окружности силами упругости двух соседних звеньев (рис. 98). Равнодействующая этих сил и есть центростремительная сила. U ПЫ Ш Центробежные механизмы в технике 42 Оборудование: 1) модель центрифуги, 2) центробежная машина, 3) модель центробежного насоса, 4) электродвигатель универсальный, 5) по- плавковый выключатель, 6) бак водонапорный с питающей трубкой и выпуск- ным краном, 7) сосуд стеклянный цилиндрический на 1 л, 8) модель регуля- тора Уатта, 9) трубки резиновые, 10) пробирки, 11) экран для подсвета. 1. Модель центрифуги (рис. 99) закрепляют в патроне центро- бежной машины. Перед демонстрацией центрифугирования в три одинаковые пробирки наливают мутную воду, полученную взбал- тыванием ее с зубным порошком, и все три пробирки показывают учащимся на фоне просвечивающего экрана. Оставляют одну про- бирку перед экраном, а две другие вставляют в держатели центри- фуги и приводят машину на 1—2 мин в такое быстрое вращение, чтобы пробирки приняли почти горизонтальное положение. После этого сравнивают на просвет мутную воду в контрольной пробирке с водой, которая была в центрифуге, и убеждаются, что вода после опыта стала значительно светлее, а частицы мела отложились на дне в виде тонкого непрозрачного слоя. Полученный результат объясняют следующим образом. Быстро- та оседания твердых частиц в жидкости пропорциональна разности удельных весов твердых частиц и жидкости. Эффект вращения ана- логичен эффекту увеличения веса. Пропорциональное увеличение веса твердых частиц и жидкости вызывает увеличение разности их удельных весов и, следовательно, увеличение скорости оседания частиц. 4 Заказ 480 97
ГЗМШШ ““"‘ff1*111*1 Дц, цццш1Ш1штмцм5й Рис. 99. Модель центрифуги с авто- уровня 2. Для демонстрации устройства и действия цент- робежного насоса собирают установку, изображенную на рисунке 100, и вывешивают настенную таблицу «Центро- бежный насос» (рис. 101). Мо- дель насосной установки СО- Рис- 100. Насосная установка бирают в таком порядке, магическим регулированием Соединяют центробежный на- воды сос с универсальным электро- двигателем, на краях водонапорного бака устанавливают попла- вковый выключатель; под выпускной кран бака ставят .Стакан с водой, уровень которой должен быть обязательно выше верхнего патрубка насоса, иначе при остановке насоса вода из него выте- чет обратно в стакан. После этого наполняют центробежный на- сос, без чего он работать не может. Насадив на входной патрубок насоса резиновую трубку, опу- скают ее до дна стакана. Второй резиновой трубкой соединяют вы- ходной патрубок насоса с питающей трубкой водонапорного бака и через нее высасывают воду, пока она не заполнит полость насоса. После этого наливают в водонапорный бак воду почти до поплавка. Концы шнура от электродвигателя, которые обычно бывают замкнуты или присоединены к реостату, присоединяют к зажимам поплавкового выключателя. Собранная таким способом установка готова к действию. Перед включением тока учащимся показывают модель центро- бежного насоса и разъясняют его устройство, пользуясь настен- ной таблицей. Действие центробежного насоса, нагнетающего воду в бак, воз- можно лишь в том случае, когда противодействующее нагнетанию давление воды не может создать центростремительной силы, необ- ходимой для поддержания вращательного движения воды в кожухе насоса при данной скорости вращения ротора. Когда это давление вызовет необходимую центростремительную силу, подача воды 98
Рис. 101. Настенная таблица «Центро бежный насос» Рис. 102. Модель центробежного регулятора в бак прекратится. Этим опреде- ляется максимальная высота, на которую насос может подавать во- ду. Полезно обратить внимание учащихся на необходимость пред- варительного наполнения насоса водой. Электродвигатель включают в сеть переменного тока. По мере наполнения верхнего сосуда водой поплавок медленно поднимается. В тель отключает ток. После этого открывают кран, вода вытекает в нижний сосуд. При опускании поплавка снова включается ток, некоторый момент выключа- и дальше процесс автоматически повторяется. Скорость вытекания воды необходимо отрегулировать так, что- бы опоражнивание бака происходило медленнее наполнения. При работе насоса нельзя допускать подсасывания воздуха, так как при попадании воздуха в полость насоса последний перестает ра- ботать и его приходится наполнять вновь таким способом, как это было описано выше. 3. Модель центробежного регулятора, состоящую из собствен- но регулятора и разреза дроссельной заслонки, устанавливают на центробежную машину, как показано на рисунке 102. Если приве- сти в движение машину, то шары регулятора будут удаляться от оси вращения и поднимать соединенную с ними муфту вверх по стержню. При этом будет подниматься вверх и тяга заслонки, соединенной с муфтой при помощи вилки; заслонка будет пово- рачиваться и закрывать собой (больше или меньше) паропровод. Когда вращение прекратится, то пружина, сжатая во время дей- ствия прибора, вернет муфту и шары регулятора в исходное по- ложение. 4- 99
§ 5. ВРАЩЕНИЕ ТВЁРДОГО ТЕЛА О П Ы ГЛ Зависимость углового ускорения от момента силы и момента инерции 43 Оборудование: 1) диск вращающийся, 2) грузы в 2 кГ с крюч- ками — 2 шт., 3) грузы наборные в 1 и 2 кГ, 4) блоки на стержне — 2 шт., 5) штатив универсальный. На вращающемся диске, установленном горизонтально, закреп- ляют тахометр и на противоположных краях диска устанавливают два одинаковых груза по 2 кГ каждый. Прочную нить с узелком заводят в щель большего щкива диска. Нитью огибают два блока, зажатых в муфтах штатива, и подвешивают на ее конце груз в 300 Г так, чтобы, натягивая нить, он касался стола (рис. 103). Повертывая диск, наматывают нить на шкив, пока висящий на ней груз не поднимется до верхнего блока. Отпускают диск и следят за его вращением. По тахометру замечают, что угловая скорость диска постепенно увеличивается и достигает наибольшей величины к моменту, когда груз коснется стола. При этом- диск продолжает вращение по инерции и наматывает нить на шкив. Не давая ему остановиться, вновь поднимают груз до верхнего блока и несколько раз повторяют наблюдение, чтобы заметить максимальное показа- ние тахометра, Затем переводят нить на нижний шкив, уменьшив таким спосо- бом плечо силы, и повторяют опыт. Теперь угловое ускорение дис- ка стало значительно мень- Рис. 103. Демонстрация за- висимости углового уско- рения от момента силы и момента инерции ше, так как даже к концу движения показания тахо- метра не достигают преж- ней величины. Опыт снова повторяют, оставив нить на меньшем шкиве и увеличив груз на нити вдвое. Показания та- хометра вновь достигают прежней величины. Умень- шив плечо силы и увели- чив ее величину в одинако- вое число раз, мы не изме- нили момента силы, в ре- зультате чего и угловое ускорение диска осталось прежним. Проведенные опыты показывают, что с 100
увеличением момента силы увеличивается и угловое ускорение. Для выявления зависимости углового ускорения от массы враща- ющегося тела и от ее размещения опыты повторяют так, как опи- сано выше, но величину вращающего момента сохраняют неизменной, а грузы на диске заменяют другими (по 1 кГ) или сдвигают их к оси диска. И в том и в другом случае угловое ускорение увеличивается. Основываясь на этих опытах, вводят понятие о моменте инерции как величине, зависящей от массы тела и от ее размещения отно- сительно оси вращения. Опыт Свободные оси вращения 44 Оборудование: 1) центробежная машина, 2) брусок от трибо- метра, 3) цепочка, замкнутая в кольцо, 4) штатив универсальный, 5) бечевка. Деревянный брусок от трибометра подбрасывают так, чтобы он вращался в воздухе вокруг одной из своих осей симметрии. Если ось вращения бруска (рис. 104) совпадает с осью а (наибольший момент инерции) или осью b (наименьший момент инерции), то он сохраняет устойчивость и, пока находится в полете, вращается во- круг выбранной оси. Но если бруску придать вращение вокруг оси с (ось среднего момента инерции), направление этой оси не сох- раняется и брусок летит кувырком. Что оси симметрии являются свободными осями, объясняется следующим образом. Если брусок насадить на спицу, как показано на рисунке 105, а, и вращать в подшипниках, то центростремительные силы, необхо- димые для вращения его верхней и нижней половинок, могут быть вызваны только давлением подшипников на ось. Поэтому и ось Рис. 104. Оси симметрии бруска Рис. 105. Оси симметрии бруска являются свободными осями 10J
при вращении бруска будет оказывать давление на подшип- ники. Если же брусок будет по- сажен так, как показано на ри- сунке 105, б, то при его враще- нии центростремительными си- лами будут являться силы упру- гости, действующие внутри бру- ска. Эти силы будут взаимно уравновешены, и бокового дав- ления на подшипники не будет. Если подшипники удалить, то это не окажет никакого влия- ния на вращение. Такую ось, относительно которой центро- стремительные силы уравнове- шиваются, называют свободной осью. Проведенные опыты показы- вают, что свободными осями мо- гут быть только оси наиболь- шего и наименьшего моментов инерции. При этом только в Рис. 106. Свободные оси бруска первом случае вращение ока- и цепочки зывается вполне устойчивым. Это можно показать второй се- рией опытов. Тот же брусок подвешивают на бечевке к крючку центробеж- ной машины, установленной на штативе, как показано на рисунке 106, и вращают, постепенно увеличивая скорость. Вращение во- круг оси с малым моментом инерции остается, как и в предыдущем опыте, устойчивым, но только до определенной скорости вращения. Переходя некоторый предел скорости, брусок, подвешенный к оси центробежной машины за крючок, укрепленный в малой его грани, опрокидывается и устойчиво вращается вокруг оси наибольшего момента инерции. Если же вращать брусок вокруг оси среднего момента инерции, в нем проявляется неустойчивость положения и он немедленно пе- реходит во вращение вокруг оси наибольшего момента инерции. Проведенные опыты полезно дополнить вращением различных предметов, подвешенных так, чтобы точка подвеса иногда совпада- ла, а иногда не совпадала с центром тяжести. Для этого можно взять, например, ножницы, муфту от штатива и др. Во всех этих опытах можно заметить, что если ось вращения не проходит через точку подвеса, то последняя двигается по окружно- сти, а нить описывает кривую поверхность, расширяющуюся по мере увеличения скорости. 102
Особенно интересен опыт с цепочкой: замкнутая в кольцо и под- вешенная к крючку центробежной машины, она при вращении расправляется и в виде жесткого кольца, расположенного горизон- тально, вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через центр (рис. 106, справа). И в этом случае вращающееся тело прини- мает такое положение, при котором его момент инерции оказывает- ся наибольшим. (Для получения устойчивого вращения нить для подвешивания должна быть достаточно длинной.) Опыт Отклонение движущегося тела во вращающейся системе 45 (явление Кориолиса) Оборудование: 1) вращающийся диск, 2) тахометр, 3) уровень, 4) спички, 5) пластилин. 1. Диск на треноге с уравнительными винтами устанавливают с помощью уровня горизонтально. В одном из его отверстий закреп- ляют трубку с желобком для пуска шарика так, чтобы конец же- лобка совпал с осью вращения диска (рис. 107). Затем вылепливают из пластилина узкую полоску и укладывают ее по краю диска против желобка. Вдоль полоски втыкают ряд спичек так, чтобы расстояния между ними были немного меньше диаметра шарика. На этом заканчивается подготовка установки. При неподвижном диске опускают в трубку шарик. Желобок, прикрепленный к нижнему краю трубки, направит движение шари- ка горизонтально вдоль радиуса диска. Пролетая над краем диска, шарик собьет или повернет одну или две спички и тем отметит направление своего движения. Затем приводят диск во враще- ние с небольшой скоростью и повто- ряют опыт. Теперь шарик сбивает спичку в другом месте. Траектория движения шарика относительно . диска искривляется в сторону, противоположную движениюдиска. Очевидно, шарик, вылетая из точки, совпадающей с осью враще- 9 ния диска, по инерции сохраняет ин|И11Н111НН приобретенную скорость. За время, —____ в течение которого шарик достига- — _ А ет края диска, последний успевает T1F повернуться на некоторый угол и JL шарик уже не попадает в прежнее место. С подобным отклонением ft шарика учащиеся встретятся в опы- те с маятником Фуко (стр. 104) и рис. Ю7. к объяснению явления в опыте Штерна (стр. 277). Кориолиса 103
2. Значительно сложнее это явление протекает, когда точка вылета шарика не совпадает с осью вращения и при вращении диска описывает окружность небольшого радиуса. Для наблюде- ния этого случая трубку с желобком переставляют так, чтобы ось трубки и ось диска совпали. Тогда конец желобка окажется выне- сенным вперед, и шарик будет вылетать с конца желобка, имеющего некоторую скорость, направленную по касательной к описываемой им окружности. Сохраняя эту скорость и приближаясь к краю диска, шарик будет перемещаться в места, имеющие все большую и большую скорость. Естественно, что шарик будет отставать от диска и траектория его движения относительно диска вновь будет искривлена, хотя и в меньшей степени. Подобное явление имеет место при течении рек и движении воз- душных масс, а также при полете ракет. В первом случае оно про- является в подмывании правого'берега реками северного полуша- рия, и левого — в южном полушарии. Для сравнения результатов опытов необходимо в обоих опытах вращать диск с одинаковой скоростью, пользуясь маятниковым тахометром. Опыт Маятник Фуко 46 Оборудование: диск вращающийся. Фуко Плоскость колебаний свободно подвешенного маятника не сохраняет своего положения относительно зем- ной поверхности, а медленно повер- тывается навстречу вращению Земли. Таков видимый результат опыта Фу- ко. На самом деле плоскость коле- баний сохраняет свое положение отно- сительно Солнца, а ее кажущееся вра- щение является следствием вращения Земли. В виду того что это явление протекает слишком медленно и в школьных условиях плохо поддается демонстрации, для объяснения есть смысл воспользоваться моделью маят- ника Фуко. На треноге с уравнительными вин- тами устанавливают вращающийся диск и с помощью уровня добивают- ся его горизонтального положения. На диске закрепляют проволочную дугу и к крючку муфты подвешива- 104
ют на нити металлический шарик (рис. 108). Ослабив винтовой зажим на муфте, отыскивают для нее такое положение, чтобы ша- рик оказался точно над центром диска. Отклоняют маятник к стойке, отпускают его (без бокового толч- ка) и показывают, что плоскость колебаний все время сохраняет свое положение. Затем приводят диск в медленное вращение. Плоскость колебаний маятника, сохраняя по-прежнему свое положение относительно класса, повертывается относительно вра- щающегося диска. Объясняют, что для наблюдателя, находящего- ся на диске, плоскость колебаний маятника вращается в сторону противоположную вращению диска. Отклонение маятника есть частный случай отклонения всякого тела, движущегося по поверхности Земли, что было показано в пре- дыдущем опыте. U П Ы171 Прецессия гироскопа 47 Оборудование: 1) диск вращающийся, 2) штатив универсальный. Диск приводят во вращение с максимальной возможной скоро- стью и концом рукоятки ставят на стол (рис. 109). Сохраняя свое положение, диск кажется совершенно неподвижным, и только через некоторое время можно заметить, что его ось начинает опи- сывать коническую поверхность. Если нажимать линейкой на рукоятку диска вправо или влево, диск наклоняется в направлении, перпендикулярном к направле- нию действующей силы. Чтобы показать это явление (прецессию) нагляднее, собирают установку по рисунку ПО. Рукоятку диска удлиняют стержнем от штатива с помощью параллельной муфты и на стержень навешивают груз около 200 Г. В треногу штатива встав- ляют короткий стержень с навинченной на него заостренной насад- кой и на острие насаживают диск со стержнем, как показано на ри- сунке1. Передвигая груз, уравновешивают стержень в горизонталь- ном положении. Опыт состоит в следующем. Приводят диск в быстрое вращение, насаживают прибор на острие и показывают, что его удлинитель- Рис. 109. Ось вращающегося диска сохраняет свое положение 1 Для насаживания стержня на острие надо воспользоваться попереч- ным отверстием, просверленным в стержне у одного из его концов. 105
пре- Рис. 111. К объяснению цессии Рис. ПО. Установка для де- монстрации прецессии гирос- копа ный стержень сохраняет горизонтальное положение и остается не- подвижным. Однако при всякой попытке повернуть рукоятку диск повертывается в направлении, перпендикулярном оси вращения диска и вектору повертывающей силы. Направление прецессии можно определить следующим рассуж- дением. Если диск вращается в вертикальной плоскости (рис. 111) и на его рукоятку действует пара сил F, F в плоскости XY, то час- тицы диска, движущиеся со скоростью v, вследствие инерции вы- зовут поворот диска в направлении от Y к Z. Передвигают груз в ту или другую сторону, вновь приводят диск в быстрое вращение и устанавливают на острие, придав ру- коятке горизонтальное положение. Рукоятка с диском начинает медленно повертываться вокруг вертикальной оси. Учащимся пред- лагают самостоятельно объяснить наблюдаемое явление. U п Ы т Гироснопичесний компас 48 Оборудование: 1) модель гирокомпаса, 2) диск вращающийся. В отверстие, просверленное в оси гироскопа, вставляют конец прочной нити длиной около 70 см и наматывают ее на ось. Силь- ным и плавным движением вытягивают нить, вследствие чего гиро- скоп начинает быстро вращаться. Придав оси гироскопа горизонтальное положение, ставят прибор на диск, привязывают его к оси диска и начинают мед- 106
ленно вращать всю систему (рис. 112). Обращают внимание, что через некоторое время положе- ние оси гироскопа изменяется: медленно повертываясь, она устанавливается вертикально и все время остается параллель- ной оси вращения диска. Когда маховичок гироскопа начина- ет останавливаться, можно заме- тить, что диск и маховичок вра- щаются в одном направлении. На этом явлении основано устройство гирокомпаса. В любом месте Земли благодаря ее вра- щению ось гироскопа в гирокомпасе располагается параллельно земной оси, а направление ее вращения совпадает с направлением вращения Земли. Таким образом, ось гироскопа в гирокомпасе всегда ориенти- рована в плоскости географического меридиана и по ее положению можно определить широту места. Опыт Закон сохранения аоаенга количества движения 49 Оборудование: прибор для демонстрации сохранения момента количества движения. Рис. 113. Прибор для демонстра- ции сохранения момента коли- чества движения Прибор, применяемый для этого опыта, представляет собой подвиж- ную рамку, на противоположных углах которой закреплены два груза по 150—200 Г. Рамка имеет форму ромба и собрана из четырех одинаковых планок длиной по 20 см (рис. 113). Верхний и нижний шар- ниры рамки снабжены карабина- ми, благодаря которым прибор мо- жет свободно вращаться вокруг вертикальной оси. Верхний кара- бин служит для подвешивания, а нижний — для управления прибо- ром во время опыта. При опуска- нии нижнего шарнира грузы сбли- жаются, вследствие чего момент инерции прибора становится зна- чительно меньше. 107
Для проведения эксперимента прибор подвешивают за крючок верхнего карабина на штативе. Поднимая нижний карабин, разво- дят грузы в стороны и приводят прибор в медленное вращение. За- тем опускают карабин и тем самым сближают грузы. При этом угловая скорость прибора сильно возрастает. Снова разводят грузы и замечают, что угловая скорость умень- шается почти до прежней величины. Так повторяют опыт несколь- ко раз. Вторым опытом показывают принцип действия центробежного стабилизатора угловой скорости. Для этого разводят грузы и, при- ведя прибор в медленное вращение, отпускают нижний карабин. Прибор вращается с постоянной угловой скоростью, пока не пре- кратится опускание грузов. Чтобы вращение было спокойным, без качания, прибор в по- следнем опыте следует подвесить к штативу длинным стержнем вверх. § 6. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Опыт Переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно 50 Оборудование: 1) гиря весом в 1 кГ, 2) пружина от ведерка Архимеда, 3) грузик на 50 или 100 Г с крючком, 4) шарик стальной от шари- коподшипника, 5) трубка стеклянная 50—70 см, 6) наковальня, 7) прибор по кинематике и динамике, 8) штатив универсальный, 9) нить, 10) дощечка деревянная, 11) гвоздь длиной 3—4 см, 12) пластилин. Явление перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно достаточно показать на следующих четырех опытах. 1. Пружинный маятник из пружины от ведерка Архимеда и гири в 1 кГ подвешивают на штативе, приводят в колебание и предо- ставляют учащимся в течение некоторого времени наблюдать за мед- ленными колебаниями груза (рис. 114). Затем останавливают груз и, взяв его в руку, помещают то в среднее, то в верхнее, то в нижнее положение. Одновременно указывают силы, действующие на груз в каждом из этих положений, скорости его движения, а также взаимные превращения кинетической и потенциальной энергии груза и пружины. В этом опыте затухание колебаний очень невелико. Поэтому на нем не следует пока останавливать внимание учащихся. Коле- бания гири надо прекращать раньше, чем станет заметным уменьше- ние амплитуды. 2. Грузик, подвешенный на нити к раме классной доски, от- клоняют на угол около 45° и наблюдают его колебания в плоско- сти, параллельной плоскости доски. Затем отмечают на доске ме- 108
лом нижнее и верхнее положения грузика и через эти метки проводят горизонтальные прямые. Далее отклоняют грузик до отмеченного верхнего уровня и пускают его. Грузик, прой- дя через нижнее положение, вновь достигает прежнего уровня. Опыт повторяют, но в плоскости качаний маятника устанавливают задержку (к доске приставляют карандаш или иной стержень). Показывают, что в этом случае нить огибает задержку, но грузик поднимается на преж- нюю высоту. 3. На одной из тележек прибора по ки- нематике и динамике устанавливают прила- гаемый к прибору ворот с грузами. Конец нити от ворота пропускают через отверстие в платформе тележки и зацепляют за ось колес- ной пары. Поворачивая колеса, наматывают нить на ось, пока грузы не поднимутся до самого ворота. Ставят тележку на рельсы и наблюдают, как грузы, опускаясь, приводят ее в ускоренное движение. Когда нить начнет вновь наматываться на Рис. 114. Пружин пый маятник ось, движение замедляется и тележка оста- навливается. Грузы при этом оказываются поднятыми уже на меньшую высоту. Опыт иллюстрирует переход потенциальной энергии поднятых грузов в кинетическую энергию дви- жущейся тележки и обратно. Для этого опыта' необходимо просверлить два отверстия: диаметром 8—9 мм в платфор- ме тележки и диаметром 1—2 мм в оси. Для увеличения вращающего момента на ось надо надеть разрезанный вдоль отрезок резиновой трубки с толщиной стенок около 2 мм. 4. На стальной хорошо закаленной на- ковальне устанавливают стеклянную трубку длиной около 70 см, пропустив ее через лап- ку штатива (рис. 115). В трубку опускают стальной шарик от шарикоподшипника (вни- зу трубку надо придерживать рукой). Упав на наковальню, шарик подпрыгивает и пос- ле нескольких подскоков останавливается. На этом опыте показывают превращение по- тенциальной энергии шарика в кинетичес- Рис. 115. Установка для демонстрации превращения потен- циальной энергии стального шарика в другие виды 109
кую, а затем во внутреннюю энергию стали, постепенное рас- сеяние энергии (затухание колебаний). Чтобы сконцентрировать внимание на этом последнем явле- нии, на наковальню кладут кусок картона и повторяют опыт. Ша- рик при падении подпрыгивает на значительно меньшую высоту. Затем на наковальню кладут дощечку из мягкого дерева (липа, осина, ель), в которую предварительно на одну четверть длины вбивают небольшой гвоздик. Брошенный в трубку шарик ударяет в шляпку гвоздя и вбивает его дальше в дерево. При этом никакого подскока не наблюдается — шарик останавливается сразу. В этом случае работа, произведенная шариком против силы трения, пол- ностью переводит кинетическую энергию шарика во внутреннюю энергию. Гвоздь можно заменить плиткой из пластилина и пов- торить опыт. Шарик также сразу останавливается, иллюстрируя превращение кинетической энергии во внутреннюю энергию пла- стилина. Чтобы шарик не прилипал к пластилину, на последний кладут листок бумаги. 4 Рис. 116. Уста- новка к опы- ту 51 U П Ы ГП Изменение энергии тела _ равно совершенной работе 51 Оборудование: 1) динамометр пружинный от прибора по кинематике и динамике, 2) груз в 50 Г, 3) метр демонстрационный, 4) штатив универсальный. Рассматривая работу как процесс превраще- ния энергии, полезно показать, что количество превращенной энергии равно величине работы, со- вершенной при этом превращении. Опыт надо по- ставить так, чтобы необратимые потери энергии, не поддающиеся учету, были как можно меньше и не оказывали заметного влияния на результаты. Этим требованиям вполне соответствует установ- ка, изображенная на рисунке 116. Она состоит из динамометра, зажатого вертикально в лапке шта- тива, и подвешенного к его нити грузика весом в 50 Г. Опыт проводят в такой последовательности. Грузик, висящий на нити, поднимают вплотную к втулке динамометра и отпускают. При своем па- дении он растягивает пружину динамометра. Что- бы достаточно точно определить максимальную величину силы, растягивающей пружину, опыт повторяют несколько раз, фиксируя взгляд на том месте шкалы, где на одно мгновение останав- ливается указатель. Пусть эта сила оказалась рав- ной 140 Г. НО
Далее с помощью демонстрационного метра измеряют расстоя- ние, пройденное указателем. По полученным данным определяют работу растяжения пружины: А • 38 см=2660 Гем 2700 Гем. 2 Затем оттягивают грузик вниз, пока динамометр не покажет 140 Г, и измеряют высоту, с которой падал груз, т. е. расстояние от верхнего крючка груза до втулки динамометра. Если это рассто- яние равно 54 см, то легко подсчитать уменьшение потенциальной энергии груза: Wn = 50 Г • 54 см = 2700 Гем. Таким образом, при превращении потенциальной энергии под- нятого груза в энергию растянутой пружины работа по растяжению пружины равна количеству превращенной энергии: А = Wn. Из приведенного описания видно, что для подтверждения ра- венства А = 1ЕП достаточно определить лишь начальную и конеч- ную энергию системы и не разбирать явление во всех подробностях. Опыт Упругий и неупругий удар 52 Оборудование: 1) прибор по кинематике и динамике, 2) кино- фильм «Механический удар», 3) кинопроектор. Демонстрация механического удара двух тележек описана в опыте 16 (стр. 54). Проведение этого опыта было связано с изуче- нием закона сохранения количества движения. При изучении раз- дела «Работа и энергия» эти опыты следует повторить и рассмотреть наблюдаемые явления с точки зрения закона сохранения энергии. Сначала показывают упругие столкновения двух тележек в разных вариантах (варьируется масса, величина и направление скоростей). В этих опытах количества движения передаются так, что их геометрическая сумма до и после взаимодействия тележек остается без изменения. Очевидно, что при упругом столкновении и общая кинетическая энергия тележек к концу взаимодействия остается прежней. Иначе обстоит дело при неупругом ударе. В результате неупругих столкновений геометрическая сумма количеств движения двух тележек до и после взаимодействия осталась без изменения, т. е. = (ml + т2) и. Но vt > v, поэтому тЛ2 (т1 п1'2) У2 2 2 В этом случае некоторая часть энергии ду/ „ (mi + mA 2 2 III
пошла на увеличение внутренней энергии пластилина при его де- формации. Далее увеличивают массу неподвижной тележки приблизитель- но вдвое и повторяют опыт, толкнув вторую тележку с прежней скоростью. Теперь тележки после удара двигаются с меньшей ско- ростью, чем в первом опыте. На основании этого опыта, а также из теоретических соображений, делают весьма важный вывод: при увеличении массы неподвижного тела или уменьшении массы уда- ряющего тела количество кинетической энергии, превращаемой в другие виды энергии, увеличивается. Описанные опыты с тележками служат хорошей подготовкой к просмотру учебного кинофильма «Механический удар»1. Фильм начинается показом ряда примеров механического уда- ра: ковка, забивание гвоздя, игра в теннис. Затем демонстриру- ется удар упругих шаров, подвешенных на нитях. Далее этот опыт показан в замедленном темпе, и на экране хорошо различаются первая и вторая фазы удара — сплющивание шаров и восстановле- ние их формы. Если один из упругих шаров заменить пластили- новым, то наблюдается только первая фаза — деформация пласти- линового шара сохраняется и оба шара двигаются вместе. При падении на пластилиновую плитку шарик делает в ней вмятину и останавливается, не подскакивая. Далее показано ана- логичное явление — удар молота по раскаленному куску стали. В кадре—доска с тремя вертикально вбитыми в нее гвоздями. Тяжелый брус, уложенный на гвозди, не вдавливает их в доску. Те же гвозди легко забиваются ударами небольшого молотка. При ударе трамбовки о поверхность земли образуется углуб- ление. С помощью мультипликации показывается высота, с кото- рой падала трамбовка, и глубина вмятины. Приводится расчет, подтверждающий, что уменьшение потенциальной энергии трам- бовки равно произведенной работе. На этом примере и на примере работы парового молота делается вывод, что сила удара зависит от массы молота и его скорости. Однако если масса незакрепленной детали меньше массы моло- та, то деталь перемещается и сила удара оказывается небольшой. Это подтверждается кадрами, на которых молот ударяет по свобод- но висящему куску стали, почти не оказывая на него никакого воз- действия. Совершенно иной результат получается при ковке на массивной наковальне. Механический удар применяется не только для деформаций тела, но и для продвижения с преодолением сопротивления. В ка- честве иллюстрации показывается забивка свай паровым копром. В ряде случаев приходится принимать меры для уменьшения силы удара. Показана мягкая упаковка стеклянных елочных укра- шений и действие рессор автомобиля при транспортировке. 1 Кинофильм звуковой, 1 часть, выпущен в 1960 г, 1 1
Г Л А В A II МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ § 1. КОЛЕБАНИЯ 0пЫП1 Свободные колебания под действием силы тяжести и силы упругости 53 Оборудование: 1) пружины спиральные с крючками — 2 шт., 2) шар деревянный с двумя крючками, 3) штатив универсальный, 4) блок диаметром 25—50 мм в обойме на стержне, 5) нить некрученая, 6) кинофильм «Колебания и волны», ч. I, 7) кинопроектор. Для первоначального ознакомления с колебательным движе- нием можно ограничиться демонстрацией колебания тела под дей- ствием силы тяжести и силы упругости. В качестве тела удобно взять деревянный шар диаметром 50—70 мм с двумя крючками, у которого одна половина поверхности белая, а вторая черная. Вначале показывают простейшую колебательную систему — нитяной маятник, подвешенный на Г-образной стойке, собранной из универсального штатива (рис. 117). Маятник отводят рукой от положения равновесия и отпускают, наблюдая свободные коле- бания. Учащимся разъясняют, что в любой колебательной системе свободные колебания поддерживаются только в результате дей- ствия внутренних сил и инерции тела. В системе маятник — Зем- ля внутренней силой является сила тяжести. На это следует об- ратить внимание, так как учащиеся нередко принимают силу тя- жести за внешнюю силу. Наблюдая за колебаниями маятника, устанавливают, что энер- гия, сообщенная колеблющейся системе, постепенно рассеивается в окружающую среду. В результате этого амплитуда постепенно уменьшается и колебания в конце концов прекращаются (затуха- ют). Опыт показывает, что свободные колебания являются затухаю- щими. После этого демонстрируют колебания горизонтального пружин- ного маятника, собрав установку по рисунку 118. 113
Рис. 117. Нитяной маятник Стальные пружины длиной около 100 мм и внешним диаметром 25 мм, навитые из про- волоки диаметром 1 мм, зацепляют одним концом за крючки шара, а другим — за вин- ты зажимов, укрепленных на вертикальных стойках П-образной рамы. Последнюю соби- рают из металлических стержней от универ- сального штатива. Чтобы исключить дейст- вие силы тяжести, в отверстие шара плотно вставляют тонкий стержень, прикрепленный другим концом к обойме блока, надетого на горизонтальный стержень рамы. Шар отводят рукой от положения равновесия и отпуска- ют. Деформированные пружины возвращают шар в положение равновесия, но вследствие инерции он движется дальше и снова растя- гивает одну и сжимает другую пружины. Только после 10—15 колебаний шар останав- ливается. Опыт повторяют несколько раз, обращая внимание на то, что в данной си- стеме колебания поддерживаются в результа- те действия силы упругости и инерции тела. Сила упругости является внутренней силой. Далее показывают возникновение коле- бательного движения при одновременном действии на тело двух различных сил: силы тяжести и силы упругости. Опыт демонстрируют на вертикальном пружинном маятнике. Для увеличения периода колебаний, а следовательно, и вырази- тельности опыта шар подвешивают на двух пружинах, соединен- ных последовательно (рис. 119). В состоянии равновесия на шар действуют две силы: сила тяжести и сила упругости пружины. Эти силы равны по величине, но противоположны по направлению. Следовательно, их равнодействующая равна нулю. При всяком отклонении шара от положения равновесия по вертикали резуль- тирующая сила становится отличной от нуля, так как вес шара Рис. 118. Горизонтальный пружинный маятник 1Н
Рис. 120. Маятник для демонстрации вертикальных, гори- зонтальных и крутиль- ных колебаний остается постоянным, а сила упругости изменяется пропорциональ- но удлинению пружины. Чтобы показать это, шар оттягивают немного вниз и обращают внимание учащихся на то, что теперь сила упругости пружины стала больше веса шара и результирующая сила, равная их разности, направлена вертикально вверх. В этом убеждаются, отпустив шар. Под действием результирующей силы он возвращается в положе- ние равновесия, но по инерции проходит его. В верхнем положении шар снова останавливают; поясняют, что сила упругости стала меньше веса шара и результирующая сила направлена вертикально вниз. Отпустив шар, демонстрируют его свободные колебания. Наконец, собирают установку по рисунку 120 и показывают различные виды свободных колебаний. Для демонстрации вертикальных колебаний шар оттягива- ют рукой немного вниз или приподнимают вверх и отпускают. Затем шар оттягивают немного в сторону от положения равно- весия и, отпустив, наблюдают горизонтальные колебания. Нако- нец, шар повертывают на некоторый угол вокруг вертикальной оси и снова отпускают. Возникают крутильные колебания, кото- рые хорошо различаются по мельканию чернобелой поверхности 115
шара. При такой постановке опытов, когда почти без изменения аппаратуры один вид колебания быстро сменяется другим, весьма отчетливо вскрывается характер каждого колебания и различие между ними. Рассмотренные примеры не исчерпывают всех воз- можных случаев колебательного движения, но и их вполне до- статочно для того, чтобы сделать вывод: любые внутренние силы, возвращающие тело в положение равновесия, могут вызвать сво- бодные колебания системы.- В заключение показывают первый фрагмент фильма «Колеба- ния и волны»1. В этом фрагменте, называемом «Свободные коле- бания», подробно разбираются причины возникновения колеба- тельного движения у нитяного и пружинного маятников. Для увеличения наглядности и выразительности описанных выше опытов следует учесть следующие замечания. Во время де- монстрации нитяного маятника шар не должен вращаться вокруг собственной оси. Поэтому его подвешивают на некрученой нити или пользуются бифилярным подвесом. Маятники должны коле- баться в плоскости, перпендикулярной лучу зрения учащихся. Если колебания маятников наблюдаются на фоне классной доски, то к учащимся должна быть обращена белая сторона шара. В этом и последующих опытах можно пользоваться пружина- ми от прибора «Ведерко Архимеда». ОпЫГП Гармоническое колебательное движение 54 Оборудование: 1) пружины спиральные с крючками — 2 шт., 2) держатель для пружины, 3) гири весом в 1 и 2 кГ с крючками, 4) штатив универсальный, 5) шкала демонстрационная с нулем посередине, 6) секундо- мер демонстрационный, 7) динамометр с круглым циферблатом. Для получения достаточно медленных и продолжительных колебаний собирают установку с вертикальным пружинным маят- ником (рис. 121). У верхнего конца стойки штатива укрепляют на коротком металлическом стержне самодельный держатель для спиральной пружины, а внизу зажимают вертикально в лапку шта- тива самодельную шкалу. Держатель представляет собой жестяной цилиндр, в который свободно входит спиральная пружина2. Высота цилиндра около 10 см, внутренний диаметр примерно 2,7 см. Цилиндр имеет тол- стое дно, в которое ввернут короткий металлический стержень от универсального штатива, а в открытый конец вставлена по диаметру перемычка из проволоки диаметром 1 мм. 1 Кинофильм звуковой, 2 части, вып. 1959 г. - Характеристика пружины указана в предыдущем опыте. 116
Для крепления пружины ее ко- нец вставляют в держатель и по- вертывают 2—3 раза, навинчивая на перемычку. На свободный конец пружины подвешивают гирю весом 1 кГ и укрепляют шкалу так, чтобы ее нулевое деление было расположено на одном уровне с серединой не- подвижной гири. Рядом с маятни- ком на стол ставят демонстрацион- ный секундомер. Маятник приводят в колебание вдоль вертикальной линии и, поль- зуясь опытом, вводят следующие понятия. 1. Период и частота колебания. В один из момен- тов, когда маятник проходит край- нее положение, включают демон- страционный секундомер и измеря- ют Время нескольких полных КО- рис. 121. Установка для демонст- Лебаний. По полученным данным рации гармонического колебания; рассчитывают время одного ПОЛНО- в овале — схема устройства дер- го колебания, т. е. период. Величи- жателя пружины ну, обратную периоду, называют частотой колебаний. Ее численное значение получают из резуль- татов измерения периода. 2. Амплитуда и смещение. Повторяют опыт, и когда гиря оказывается в крайнем верхнем или нижнем положении, ее задерживают рукой. Такое наибольшее отклонение колеблюще- гося тела от положения равновесия называют амплитудой, а все промежуточные отклонения — смещениями. Измеряют амплитуду колебания по демонстрационной шкале. На опыте показывают зависимость величины амплитуды от силы первоначального толчка, который приводит маятник в движение (величины сообщенной телу энергии). 3. Изменение скорости и ускорения. Внима- тельно наблюдая за медленными колебаниями груза, устанавлива- ют, что колеблющееся тело имеет максимальную скорость в момент прохождения положения равновесия и равную нулю в крайних точках. Можно сообщить учащимся, что ускорение, наоборот, достигает наибольшего значения в крайних точках, когда движе- ние груза изменяется на обратное, и обращается в нуль при прохо- ждении грузом положения равновесия. 4. Фаза колебания. Продолжая наблюдение за коле- баниями маятника, отмечают, что в различные моменты он зани- 117
Рис. 122. Установка для демонстрации изменения величины и направления возвращающей силы при гармоническом колебании мает различные положения относительно положения равновесия. Каждое положение характеризуется определенным смещением и направлением движения. Одно и то же положение, кроме крайних, маятник проходит дважды в течение периода, но один раз он нахо- дится в нем, двигаясь вверх, а другой — двигаясь вниз. Через каждый период маятник снова возвращается в прежнее положение, а через половину периода положения отличаются друг от друга лишь направлением движения. В связи с этим сообщают, что сме- щение колеблющегося тела и направление его движения относи- тельно положения равновесия для любого момента времени ха- рактеризуются с помощью особой физической величины, называе- мой фазой колебания. Далее переходят к рассмотрению динамической характери- стики гармонического колебания (рис. 122). Вначале собирают из универсального штатива П-образную под- ставку. Под горизонтальным стержнем на первой стойке укреп- ляют с помощью дополнительного стержня демонстрационный ди- намометр, а на второй —- свободный винтовой зажим. Гирю весом 2 кГ зажимают в жестяной хомутик с малым блоком в обойме и надевают на горизонтальный стержень подставки. Затем натяги- вают две одинаковые пружины: концы одной из них зацепляют за винт зажима и крючок гири, а второй — за крючок гири и го- ризонтально расположенный стержень динамометра. Шкалу ди- намометра повертывают так, чтобы стрелка оказалась на нуле. Таким образом исключают начальную силу натяжения пружин. Установку проверяют в действии, устраняя возможные переко- сы, и приступают к демонстрации опыта. 5. Изменение силы. Маятник выводят из положения равно- весия и отпускают. Одновременно с гирей начинает колебаться и стрелка динамометра (около нулевого деления шкалы), что ука- зывает на непрерывное изменение силы по величине и направле- нию дважды в течение одного периода. Из опыта очевидно, что сила, действующая на колеблющееся тело, прямо пропорциональна величине смещения тела и всегда 118
направлена в сторону равновесия. Это служит характеристикой гармонического колебания. 6. Превращение энергии. В установке с горизон- тальным маятником удаляют динамометр и свободный конец пру- жины зацепляют за винт освободившегося зажима. Приводят маят- ник в колебание и наблюдают периодический переход потенциаль- ной энергии в кинетическую и обратно. Поясняют, что потенциаль- ная энергия в маятнике создается за счет работы по деформации пружин, а кинетическая энергия связана главным образом с массой и скоростью колеблющегося тела. Минимум потенциальной и максимум кинетической энергии достигается в момент прохождения маятником положения равно- весия, а максимум потенциальной и минимум кинетической энергии имеет место в крайних точках. Таким образом, период превращения энергии из одной формы в другую вдвое меньше периода колебания самого маятника. 0пЫП1 Связь гармонического колебания с равномерным движением 55 по окружности Оборудование: 1) пружина спиральная с крючками, 2) гиря весом в 1 кГ с крючком, 3) штатив универсальный, 4) машина центробежная с червячной передачей, 5) сирена дисковая с конусной насадкой, 6) стержень металлический 100 мм с винтовым зажимом и шариком из пластилина на кон- це, 7) осветитель на стойке для теневого проецирования, 8) экран проекцион- ный, 9) экран настольный, 10) кинофильм «Колебания и волны», ч. 1, 11) ки- нопроектор. Изучение гармонического колебания полезно связать с равно- мерным движением точки по окружности. Это позволит уточнить понятие о гармоническом колебании, показать, что такое колеба- Рис. 123. Установка для демонстрации гармониче- ского колебания тени равномерно вращающегося шарика Рис. 124. Изображе- ние на экране тени от шарика 119
ние является синусоидальным, а также закрепить трудные поня- тия о фазе колебания и разности фаз. На центробежной машине, установленной в треноге от универ- сального штатива, закрепляют дисковую сирену, а на краю диска в одном из отверстий — металлический стержень с шариком из пла- стилина. Ось вращения диска располагают горизонтально. На расстоянии 1—1,5 м от машины ставят осветитель для тене- вого проецирования, а за машиной — настольный экран (рис. 123). Приборы устанавливают так, чтобы на экране получилась четкая тень только от шарика н при вращении машины тень колебалась строго по вертикальной линии (рис. 124). Сосредоточив внимание учащихся на экране, приводят шарик в равномерное вращение и наблюдают за движением его тени. В процессе демонстрации опыта выясняют, что за время одного обо- рота шарика его тень на экране совершает одно полное колебание. Далее показывают, что колебательное движение тени есть гар- моническое. С этой целью на демонстрационном столе рядом с ша- риком устанавливают вертикальный пружинный маятник, «гар- моничность» колебаний которого была установлена в предыдущем опыте. Верхний конец маятника закрепляют на такой высоте, что- бы гиря весом 1 кГ, подвешенная к нижнему концу пружины, в спокойном состоянии находилась на одном уровне с осью вращения шарика (рис. 125). Маятник приводят в колебание, а шарик— в равномерное вра- щение с такой скоростью, чтобы обе тени на экране (от шарика и гири) в течение некоторого времени колебались с одинаковыми пе- риодами, амплитудами и фазами (рис. 126). Этого можно добиться, если центробежную машину вращать с помощью самодельной проволочной рукоятки, укреплен- ной с обратной стороны шпинделя вместо крю- чка. При этом собственная рукоятка машины удаляется, а самодельная располагается так, чтобы ее движение было в одинаковой фазе с вращением шарика. Во время демонстрации опыта учитель дол- жен внимательно следить не за движущимися телами, а за колебанием их теней на экране. Из опыта делают вывод, что при равномерном Рис. 125. НИИ связи ния с равномерным движением окружности Установка для демонстра- гармонического колеба- ло 120
вращении точки по окружности ее проекция на один из диаметров совершает гармоничес- кое колебание. А так как период колеба- ния тени от равномерно вращающегося ша- рика можно сделать достаточно большим, то становится возможным подробно проследить все особенности гармонического колебания и даже экспериментально подтвердить формулы основных кинематических и динамических ве- личин. Например, можно выяснить характер Рис. 126. Изображе- ние на экране тени от шарика и гири, подвешенной на пру- жине изменения скорости и ускорения. С этой целью к шарику на стержне, уста- новленному на центробежной машине, при- крепляют небольшую картонную или метал- лическую стрелку. Шарик повертывают вок- руг стержня до тех пор, пока стрелка рас- положится по касательной к окружности, которую описывает ша- рик при своем вращении. В этом случае стрелка характеризует ве- личину и направление скорости шарика, а ее тень — величину и направление скорости тела, совершающего гармоническое ко- лебание. Шарик приводят в медленное равномерное вращение и наблю- дают на экране изменение тени от стрелки. Когда тень от шарика проходит положение равновесия, тень от стрелки достигает наи- большей длины. По мере удаления стрелки от среднего положения длина тени от стрелки постепенно убывает. В крайних положениях она обращается в нуль (исчезает за тенью шарика) и изменяет свое направление. После этого шарик на стержне устанавливают так, чтобы стрел- ка расположилась вдоль радиуса, а ее острие было направлено к центру диска. Снова приводят шарик в медленное вращение и вни- мательно наблюдают за движением тени на экране. В этом случае стрелка изображает величину и направление центростремитель- ного ускорения шарика, а ее тень — величину и направление уско- рения тела, совершающего гармоническое колебание. Теперь тень от стрелки достигает максимальной величины в крайних положениях и уменьшается до нуля (скрывается за тенью шарика) по мере приближения к положению равновесия. В момент прохождения положения равновесия стрелка-тень изменяет свое направление на противоположное и благодаря этому остается всег- да направленной к положению равновесия. Наконец, если на диске укрепить два стержня с шариками и проследить за движением их теней на экране, можно уточнить по- нятие о разности фаз двух колебаний. В заключение полезно показать техническое применение связи между колебательным и вращательным движениями на примерах движения поршня и махового колеса в модели паровой машины 121
или на движении поршня и коленчатого вала в модели двигателя внутреннего сгорания. Для расширения круга подобных примеров показывают фраг- мент «Связь колебательного движения с вращательным» из первой части кинофильма «Колебания и волны», П Ы Ш Запись колебательного движения 56 Оборудование: 1) спиральная пружина с крючками и держате- лем, 2) слесарная линейка длиной 100 мм, 3) гиря весом в 1 кГ с крючком, 4) зеркало плоское из лабораторного набора по оптике, 5) вращающаяся зер- кальная призма, 6) осветитель для теневого проецирования, 7) линза на под- ставке, 8) экран проекционный, 9) осциллограф электронный, 10) магнит дугообразный, 11) катушка на 220 в от универсального трансформатора, 12) штатив универсальный, 13) винтовой зажим, 14) лист фанеры размером 300 X 500 мм, 15) кисточки для рисования — 2 шт., 16) чернила, 17) бумага белая, 18) кнопки канцелярские, 19) провода соединительные — 2 шт. В этом опыте рассматриваются три способа записи колебаний: механический, оптический и электрический. 1. Механическую запись наглядно демонстрируют при помощи вертикального пружинного маятника, совершающего медленные колебания с периодом около 1,2 сек. Для этого к нижнему концу пружины, укрепленной на демонстрационном штативе, подвеши- вают гирю весом 1 кГ. К гире прикрепляют горизонтально неболь- Рис. 127. Механическая запись колебаний шую кисточку (рис. 127). Пружину повертывают вокруг вертикальной оси так, чтобы металлический нако- нечник кисточки слегка при- жался к стойке штатива. Это необходимо сделать для устра- нения крутильных колебаний, которые возникают при вер- тикальных колебаниях маят- ника. Кисточку смачивают чернилами и приступают к демонстрации опыта. К стержню штатива при- жимают с обратной стороны лист фанеры, на котором при- колота белая бумага. Внача- ле при неподвижном маятни- ке фанеру опирают о треногу и перемещают в горизонталь- ном направлении, следя все время за тем, чтобы кисточка
Рис. 128. Установка для оптической записи колебаний вычерчивала на бумаге прямую линию. Затем фанеру возвращают в исходное положение, а маятник приводят в колебание. На неподвиж- ной бумаге получают вертикальную линию, равную по длине двум первоначальным амплитудам. После этого маятник снова приводят в колебание, а фанеру по возможности равномерно перемещают по горизонтальному направ- лению. Получают на бумаге волнистую линию — график колеба- ний пружинного маятника. Запись можно повторить на отдельных листах бумаги, показав при этом зависимость вида графика от ско- рости движения фанеры, от величины амплитуды и частоты коле- бания маятника. 2. Для демонстрации оптического способа записи колебаний собирают установку по рисунку 128. К стальной линейке прикреп- ляют плоское зеркальце размером 4x9 см, взятое из лаборатор- ного набора по оптике. Для этого конец линейки осторожно встав- ляют в щель, между зеркальцем и деревянной колодкой-подстав- кой, подложив предварительно бумажную прокладку. Затем ли- нейку зажимают вертикально в лапке штатива. На расстоянии при- мерно 1 м от плоского зеркальца (отсчитывается вдоль стола) ус- танавливают осветитель для теневого проецирования, а между ни- ми — двояковыпуклую линзу (диаметром 80 мм и фокусным расстоянием 254 мм), укрепленную в линзодержателе на подстав- ке. Расстояние между осветителем и линзой должно быть при- мерно'25 см. Немного в стороне, напротив середины расстояния между линзой и плоским зеркальцем, помещают вращающееся многогранное зер- кало. При таком расположении приборов посторонний свет от ос- ветителя не попадает на экран. Основной же пучок света, пройдя собирающую линзу и отразившись от плоского зеркальца, должен попадать на одну из граней вращающегося зеркала (примерно в ее середине) и от него на экран, укрепленный за демонстрацион- ным столом (на классной доске) (рис. 129). При этом линзу переме- щают так, чтобы на экране получилось изображение нити лампы 123
Рис. 129. Схема расположения приборов: / — осветитель: 2 — лииза; 3 — ви- братор с плоским зеркалом; 4 — вращающаяся зеркальная [тризма; 5 — экран; 6 демонстра- ционный стол осветителя. Обычно стоящие на столе приборы мешают наблюдению, поэтому ось вращения зеркала немного наклоняют в сторону уча- щихся и тем самым перемещают вверх изображение нити на экране. Учащимся объясняют собранную установку и приступают к демон- страции опыта. Вначале линейку с плоским зеркальцем оставляют неподвиж- ной, а зеркальную призму приводят во вращение по часовой стрел- ке. С увеличением скорости вращения световой «зайчик» на экране «растягивается» в светлую горизонтальную линию. Затем призму останавливают, а линейке сообщают колебательное движение от руки, медленно, чтобы учащиеся могли следить за перемещением светового «зайчика». Далее возбуждают свободные колебания и наблюдают вертикальные колебания светового пучка. Наконец, одновременно с колебаниями линейки приводят во вращение и зер- кальную призму. В этом случае вертикальные колебания светового пятна на экране растягиваются в правильную синусоиду. В процессе демонстрации опыта показывают зависимость вида синусоиды от частоты, амплитуды колебаний линейки и скорости вращения зеркала. Частоту колебаний линейки изменяют, переме- щая место ее зажима в лапке штатива. Начальная амплитуда Рис. 130. Установ- ка для электри- ческой записи ко- лебаний магнита на пружине 124
колебаний не должна быть слиш- ком большой, иначе пучок света в отдельные моменты будет выходить за пределы граней вращающегося зеркала и график колебания полу- чится с разрывами. 3. В заключение показывают электрический способ записи ко- лебаний. Собирают установку, как показа- но на рисунке 130. Верхний конец спиральной пружины ввертывают в самодельный держатель, ук- Рис. 131. Крепление магнита на стальной пластинке репленный на горизонтальном стержне подставки, а к нижнему концу прикрепляют небольшой подковообразный магнит. Под маг- нитом ставят катушку с большим числом витков, взятую, например, от универсального трансформатора (на 220 в). Зажимы катушки соединяют с входом вертикального усилителя электронного осцил- лографа ЭО-7. После этого осциллограф включают в сеть и, как только появится след луча на экране, выключают генератор горизонталь- ной развертки; светлое пятно фокусируют и при умеренной ярко- сти устанавливают в центре экрана. Для первоначального ознакомления учащихся с осциллографом показывают два возможных направления отклонения светлого пятна — по горизонтали и по вертикали. Это делают вначале вруч- ную, увеличивая постепенно частоту развертки. Затем светлое пятно устанавливают снова в центре экрана и приступают к демон- страции опыта. Пружину с магнитом приводят в колебательное движение и на- блюдают вертикальные колебания светлого пятна на экране. За- мечают, что частота колебаний пятна равна частоте колебаний маг- нита, а по фазе колебания сдвинуты на четверть периода. Учащимся разъясняют причину этого явления. Величину амплитуды коле- баний пятна подбирают с помощью регулятора вертикального уси- лителя и делителя входного напряжения. После этого частоту колебаний магнита увеличивают примерно до 5 гц, чтобы колебания светлого пятна на экране слились для гла- за в сплошную вертикальную линию. Для этого часть витков пру- жины ввертывают в держатель, чтобы они не участвовали в коле- бательном процессе. Одновременно с колебаниями пружины созда- ют горизонтальную развертку луча. Вначале это делают вручную, а затем с помощью генератора горизонтальной развертки. В послед- нем случае ручку ступенчатого переключателя частоты генератора устанавливают на первое деление шкалы и, действуя регулятором плавной настройки, добиваются устойчивого изображения на экра- 125
не. Если частоту генератора подобрать одинаковой с частотой пру- жинного маятника, то за время одного полного колебания светлое пятно на экране опишет одну синусоиду. В этом опыте вместо спиральной пружины можно взять упру- гую пластинку, например стальную линейку или полотно от ножов- ки. Установка опыта для этого случая показана на рисунке 131. Пластинку зажимают в лапке штатива, а магнит — с помощью вин- тового зажима. Демонстрация опыта протекает, как и с пружин- ным маятником. Для изменения частоты колебаний пластинку пере- ставляют в лапке штатива. Опыт Законы колебания нитяного маятника 57 Оборудование: 1) стержень с тремя маятниками, 2) секундо- мер демонстрационный, 3) весы настольные ВНО-2, 4) метр демонстрацион- ный, 5) штатив универсальный, 6) катушка на 220 в от универсального транс- форматора с железным сердечником, 7) батарея аккумуляторов З-НКН-10, 8) выключатель, 9) провода соединительные — 3 шт. При изучении законов колебания нитяного маятника следует показать, что: 1) период колебания не зависит от массы и амплиту- ды; 2) период прямо пропорционален квадратному корню из дли- ны маятника и 3) период уменьшается при увеличении ускорения силы тяжести. Для демонстрации этих опытов удобно воспользоваться про- стым приспособлением—металлическим стержнем с тремя кони- ческими отверстиями, через которые продеты нити с шариками оди- накового размера (железным, алюминиевым и свинцовым). Нити зажимаются в отверстиях деревянными колками (рис. 132). Стержень с маятниками укрепляют в муфте штатива у верхне- го конца и, спустив все три шарика до уровня стола, вначале по- казывают различие в их массе. На одну чашку настольных весов кладут свинцовый шарик, а на другую — остальные два. Как и сле- дует ожидать, свинцовый шарик оказывается тяжелее, так как плотности алюминия, железа и свинца составляют соответственно 2,7—, 7,8 — и 11,4 — • см3 см3 см3 1. Железный шарик подтягивают за нить вверх до отказа, а свинцовый и алюминиевый приподнимают над столом так, чтобы они при колебаниях не задевали треноги штатива. При помощи кол- ков тщательно уравнивают длины маятников, так как от это- го главным образом зависит успех опыта. Затем оба шарика линей- кой отводят в сторону от положения равновесия (на угол не бо- лее 5°) и одновременно отпускают. В течение примерно минуты на- блюдают одинаковую частоту колебаний шариков и делают 126
Рис. 132. Нитяные маятники Рис. 133. Колебание железного шарика на штативе в магнитном поле вывод о независимости периода колебания нитяного маятника отего массы. Изменяют в небольших пределах амплитуду колебания у одно- го из маятников. Наблюдают, что маятники качаются синхронно, т. е. при малых углах отклонения период колебания не зависит от амплитуды. После этого полезно один из маятников заставить совершать колебания в одной плоскости, а другой — описывать конус так, чтобы шарик двигался по окружности с радиусом приблизительно равным амплитуде колебания первого шарика. Снова устанавли- вают совпадение периодов колебаний обоих маятников. Это наблю- дение может быть использовано для вывода формулы периода ко- лебания маятника1. 2. На нити оставляют один свинцовый шарик, а железный и алюминиевый поднимают вверх до отказа. Освободившиеся концы нитей спускают вдоль стойки штатива, чтобы они не мешали демон- страции опыта. Нить, на которой висит свинцовый шарик, освобож- дают от крепления, а конец ее придерживают рукой. 1 Элементарный учебник физики, под редакцией Г. С. Ландсберга, т. III, § 8, М., Физматгиз, 1962. 127
Сообщают маятнику колебательное движение и в один из мо- ментов, когда он проходит положение равновесия, немного подтя- гивают нить. Частота колебаний маятника заметно увеличивается. После 3—4 полных колебаний снова уменьшают длину маятника; частота колебаний становится еще-больше. Не дожидаясь затуха- ния колебаний, нить отпускают до первоначальной длины и наблю- дают восстановление прежней частоты. Приходят к выводу, что период колебания зависит от длины маятника. Для установления количественных соотношений штатив с маят- ником устанавливают на краю стола. Свинцовый шарик опускают ниже крышки стола, чтобы длина маятника от точки подвеса до центра шарика была равна 100 см1. Длину маятника измеряют с помощью демонстрационного метра. Маятник отводят немного в сторону и отпускают. В момент, когда он проходит крайнее положение, включают демонстрацион- ный секундомер и измеряют время десяти полных колебаний, от- считывая их вслух. Оказывается, это время равно 20 сек, следова- тельно, период — 2 сек. Опыт повторяют, уменьшив длину маятника до 25 см, т. е. в четыре раза, и убеждаются, что период стал равен одной секунде, т. е. уменьшился в два раза. Из результатов проведенного опыта делают вывод: период колебания маятника прямо пропорционален корню квадратному из его длины. 3. Чтобы показать зависимость периода колебания от ускоре- ния силы тяжести, надо иметь возможность изменять это ускоре- ние. Для этого можно воспользоваться железным шариком и по- местить под ним электромагнит (рис. 133). Как видно из рисунка, алюминиевый и свинцовый шарики под- тянуты вверх. Железный шарик спущен и висит над сердечником электромагнита, собранного из катушки на 220 в и сердечника от универсального трансформатора. Обмотка электромагнита сое- динена через выключатель с батареей аккумуляторов напряже- нием около 4 в. Подбирают длину маятника такой величины, чтобы шарик в положении равновесия отстоял от сердечника электромагнита на расстоянии 3—5 мм и не прикасался к нему при включении тока. Затем сообщают маятнику колебательное движение с малой ампли- тудой при разомкнутой цепи электромагнита. После нескольких колебаний включают ток в момент, когда шарик проходит положе- ние равновесия. Частота колебаний резко увеличивается. Не до- жидаясь остановки маятника, выключают ток и наблюдают вос- становление периода. Опыт повторяют и убеждаются, что всякий раз при наличии магнитного поля частота колебаний маятника возрастает. 1 На нити заранее должны быть сделаны чернилами метки, чтобы быстро получить маятники длиной 100 и 25 см. 128
Опыт 58 Законы колебания пружинного маятника Оборудование: 1) пружина спиральная с держателем, 2) гири весом 250 Г и 1 кГ, 3) секундомер демонстрационный, 4) штатив универсаль- ный, 5) метр демонстрационный. При изучении законов колебания пружинного маятника следу- ет показать, что: 1) период колебания не зависит от амплитуды; 2) период прямо пропорционален квадратному корню из массы ко- леблющегося тела; 3) период обратно пропорционален квадратно- му корню из коэффициента упругости пружины. Для демонстрации этих опытов собирают установку по рисун- ку 134. Стойку штатива составляют из двух свинчивающихся стер- жней — длинного и короткого. Спиральную пружину от прибора «ведерко Архимеда» ввертывают на 2—3 витка в держатель, укреп- ленный на штативе, и нагружают гирей массой 1 кг. Рядом на столе располагают демонстрационный секундомер и приступают к демонстрации опытов. 1. Маятник приводят в вертикальное колебание с амплитудой 4—5 см. В один из моментов времени, когда гиря проходит самое нижнее положение, включают демонстрационный секундомер и измеряют время десяти полных колебаний, отсчитывая их вслух. В нашем опыте это время ока- зывается равным 12,6 сек. Сле- довательно, период равен 1,26 сек. Через некоторое время, ког- да амплитуда колебаний маят- ника заметно уменьшится, опыт повторяют. Из сопоставления результатов измерений делают вывод о независимости перио- да колебаний пружинного маят- ника от величины амплитуды. 2. К пружине подвешивают гирю массой 250 г и снова опре- деляют период колебания. Он оказывается равным 0,6 сек, т. е. в 2 раза меньше, чем в пре- дыдущем опыте. На основании этого можно сделать вывод: пе- риод упругих колебаний маят- Рис. 134. Приборы для демонстра- ции законов колебания пружинного маятника 5 Заказ 480 129
ника прямо пропорционален квадратному корню из величины мас- сы колеблющегося тела (масса пружины не учитывается). 3. У пружины оставляют одну четвертую часть работающих витков, а остальные ввертывают в держатель. К нижнему концу подвешивают гирю массой 1 кг и снова определяют период коле- баний. Он оказывается равным примерно 0,6 сек. Сравнивая по- лученный результат с периодом колебания полной пружины, определенным в первом опыте, приходят к заключению, что период колебания пружинного маятника прямо пропорционален квадрат- ному корню из числа витков пружины. Последний вывод можно сформулировать иначе: период колебания пружинного маятника обратно пропорционален квадратному корню из коэффициента упругости пружины, под которым понимается сила, необходимая для растяжения пружины на 1 см. Для определения коэффициентов упругости пружины в первом и третьем случаях измеряют с помощью демонстрационного метра абсолютные удлинения пружины при действии силы в 1 кГ. Коэф- фициент упругости полной пружины оказывается равным пример- г г но 28— , а четвертой части — ПО—, т. е. коэффициенты упруго- сти см сти обратно пропорциональны числу витков пружины. Установленные закономерности можно представить так: где Т — период, m — масса колеблющегося тела, k — коэффици- ент упругости пружины. Если ввести коэффициент пропорциональности, то можно запи- сать уравнение: тогда с = Подставляя в последнюю формулу числовые значения величин, найденных в результате измерения, получаем: с= 1,26-./= 6,55. V 1000 Эта величина приблизительно равна 2л. Поэтому формулу для периода колебания маятника окончательно записывают так: Т = 2л I/ k 130
Опыт Физический маятник 59 Оборудование: 1) метр демонстрационный, 2) нитяной маятник, 3) штатив универсальный, 4) спица стальная. Физическим маятником может быть любое тело, могущее под действием своего веса совершать колебания вокруг горизонталь- ной оси. Для постановки опыта удобно воспользоваться демонстра- ционным метром. До урока в линейке просверливают на продольной средней линии три сквозных отверстия такого размера, чтобы в них свобод- но входила стальная спица толщиной около 2 мм. Первое отверстие сверлят на расстоянии примерно 5 мм от конца линейки, второе — на расстоянии приблизительно 47 см и третье —• на расстоянии 66,7 см, т. е. в центре качания. Положение последнего отверстия уточняют предварительным опытом. На краю стола устанавливают демонстра- ционный штатив и на верхнем конце его зажи- мают в горизонтальном положении стальную спи- цу длиной около 20 см. На спицу надевают линейку (на крайнее отверстие) и таким обра- зом превращают ее в физический маятник (рис. 135). Далее на опытах показывают: 1) зависи- мость периода колебания маятника от расстоя- ния между центром тяжести и осью качаний, 2) приведенную длину маятника и 3) обратимость центра и оси качаний маятника. 1. Линейку отклоняют от положения равно- весия и, отпустив, наблюдают медленные коле- бания физического маятника. После несколь- ких качаний линейку надевают на спицу сре- дним отверстием и снова повторяют опыт. Те- перь частота колебаний маятника уменьшается примерно в два раза за счет уменьшения рас- стояния между осью качаний и центром тяже- сти линейки. 2. На спице, рядом с линейкой, подвешенной за крайнее отверстие, укрепляют с помощью ре- зинового колечка нитяной маятник (модель ма- Рис. 135. Уста- тематического маятника); длину его подбирают вначале одинаковой с длиной линейки. Оба маят- ника отклоняют от положения равновесия и новка для демон- страции колебаний физического маятника 5* 131
одновременно отпускают. Период колебания нитяного маятника оказывается больше, чем физического. Затем нить подтягивают, уменьшая длину маятника до 50 см. Центры тяжести шарика и линейки оказываются на одном уровне, и учащиеся ожидают совпадения периодов колебаний обоих маят- ников. Однако опыт показывает, что период колебания нитяного маятника меньше, чем физического. Наконец, подбирают длину математического маятника так, чтобы центр шарика совпал с треть- им отверстием в линейке, и, повторив опыт, убеждаются в синхрон- ности колебаний обоих маятников. Длину математического маят- ника, имеющего одинаковый период с физическим, называют при- веденной длиной физического маятника, а точку, отстоящую от оси качания на расстоянии, равном приведенной длине, — центром качаний. Обращают внимание учащихся на то, что у линейки, под- 2 вешенной за конец, приведенная длина равна — ее длины. 3. Спицу освобождают от зажима, снимают линейку и, повернув ее на 180°, снова надевают на спицу отверстием, просверленным в центре качания. Спицу вновь укрепляют в зажиме, а затем оба маят- ника приводят в колебание и на опыте обнаруживают, что период физического маятника, колеблющегося около оси, проходящей через центр качаний, остался прежним. Таким образом, точки маят- ника, расстояние между которыми равно приведенной длине, яв- ляются по отношению друг к другу центрами качаний. Другими словами: оси колебаний и центры качаний обратимы. Учащимся сообщают, что на этом свойстве основано устройство так называемого оборотного маятника (применяется для точного определения ускоре- ния силы тяжести). ОпЫГП Применение маятника в часах 60 Оборудование: 1) маятник полусекундный на подставке, 2) про- екционный аппарат, 3) экран проекционный, 4) кинофильм «Колебания и волны», ч. II, 5) кинопроектор. Опыт показывают с известным учебным прибором — полусе- кундным маятником (рис. 136). Сначала учащихся кратко знако- мят с его устройством, чтобы выяснить принцип действия. Обраща- ют внимание на основные части: маятник с анкерной вилкой и хра- повое колесо с гирей. Затем прибор демонстрируют в действии при различной длине маятника. Учащиеся наблюдают, как при каждом колебании маят- ника гиря, немного опускаясь, поворачивает храповое колесо. Если удары отбиваются с неравными промежутками времени, то изменяют наклон стойки прибора и добиваются необходимой рав- номерности хода. 132
Рис. 136. Полусекундный ма- ятник на стойке Для детального изучения дей- ствия анкерного механизма его по- казывают с помощью проекцион- ного аппарата. Увеличенный и рез- ко очерченный на экране силуэт механизма становится отчетливо Рис. 137. Изображение на экра- не анкерного механизма часов при отклонении маятника влево (а) и вправо (б) виден учащимся всего класса. Когда маятник движется влево, правый зубец анкерной вилки упирается в один из зубцов колеса, как показано на рисунке 137, а, и держит его неподвижным до тех пор, пока маятник, двигаясь обратно, не пройдет положение равновесия. В этот момент пра- вый зубец анкерной вилки поднимается, и колесо, выйдя из за- цепления, повертывается на ползубца, так как опустившийся ле- вый зубец анкерной вилки снова останавливает его (рис. 137, б). Если проследить за направлением силы, с которой зубцы коле- са действуют на анкерную вилку, то можно заметить, что эта сила создает вращающий момент и, разгоняя маятник, сообщает ему не- которое количество кинетической энергии. Эта энергия компенси- рует затрату энергии на преодоление трения, вследствие чего ко- лебания маятника становятся незатухающими. Наблюдая работу анкерного механизма, можно заметить, что энергия поднятой ги- ри передается маятнику равными порциями дважды за период. 133
Уяснению этих вопросов поможет также демонстрация учеб- ного звукового кинофильма «Колебания и волны». Принцип дей- ствия анкерного механизма подробно показывается в четвертом фрагменте фильма «Применение маятника в часах». U П Ы т Сложение двух колебаний, направленных по одной прямой 61 Оборудование: 1) пружины спиральные с держателями — 2 шт., 2) гири весом 1 кГ с крючками — 2 шт., 3) блоки диаметром 5—7 см в обой- ме с одним крючком — 3 шт., 4) электронный осциллограф, 5) катушка от универсального трансформатора на 220 в, 6) магниты дугообразные — 2 шт., 7) штатив универсальный, 8) шкала демонстрационная с нулем посе- редине и резиновыми кольцами для крепления, 9) провода соединительные — 2 шт., 10) некрученая нить длиной 1,5—2 м, 11) экран, 12) кинофильм «Ко- лебания и волны», ч. I, 13) кинопроектор. На демонстрационном штативе подвешивают два вертикальных пружинных маятника, как показано на рисунке 138. Стойку шта- тива составляют из двух длинных свинчивающихся стержней. К верхнему горизонтальному стержню с помощью муфт прикрепля- ют держатели со спиральными пружинами. К нижнему концу каждой пружины подвешивают гирю весом 1 кГ с двумя крючками, а к гирям — блоки в обойме с одним крючком. Оба блока с помо- щью прочной нити соединяют с подвижным блоком. Концы нити привязывают к крючкам муфт, надетых на нижний горизонталь- ный стержень. Положение муфт регулируют так, чтобы отрезки нитей, соеди- няющих блоки, были расположены вертикально, а расстояние меж- ду средним и верхним блоками составляло примерно 10 см. Чтобы уменьшить затухание колебаний маятников, блоки берут по возмож- ности легкими (особенно средний) и с малым трением в осях. Демонстрационную шкалу прикрепляют к стойке штатива двумя резиновыми кольцами так, чтобы нулевое деление ее оказалось на одном уровне с осью подвижного блока. На собранной установке демонстрируют: 1) сложение колеба- ний одинаковой частоты, 2) сложение колебаний с близкими часто- тами, 3) сложение колебаний с кратными частотами. 1. Вначале маятники тщательно настраивают на одинаковую частоту колебаний с помощью держателей пружин, вращая их вокруг вертикальной оси. Это изменяет число работающих витков пружины и тем самым частоту колебаний маятника. Затем присту- пают к демонстрации опыта. Медленно поднимают и опускают рукой одну гирю, оставляя вторую неподвижной. Учащиеся убеждаются, что средний блок повторяет движение гири. То же проделывают со второй гирей, 134
Рис. 138. Установ- ка для демонстра- ции сложения двух колебаний, направленных по одной прямой Рис, 139. Демонстрация с помощью осцилло- графа сложения двух колебаний, направлен- ных по одной прямой, а первую оставляют неподвижной. Затем рука- ми поднимают и опускают обе гири одновремен- но. При этом средний блок перемещается на удвоенное расстояние, осуществляя сложение движений двух гирь. Перемещение блоков отсчи- тывают по демонстрационной шкале. Далее обе гири заставляют свободно коле- баться в одинаковой фазе. Из наблюдений за движением среднего блока делают вывод: при сложении двух колебаний одинакового направ- ления, имеющих одинаковые частоты и фазы, получается результирующее колебание с той же частотой, но дру- гой амплитудой, равной сумме амплитуд слагаемых колебаний. После этого маятники снова приводят в колебание с одинако- выми начальными амплитудами, но в противоположных фазах. Теперь средний блок, осуществляя алгебраическое сложение двух колебаний, остается неподвижным, показывая тем самым, что ам- плитуда результирующего колебания равна нулю, т. е. что одно колебание полностью гасит другое. Если начальные амплитуды маятников различны, то результирующее колебание среднего бло- ка происходит с той же частотой, что и составляющие, но с ампли- тудой, равной разности амплитуд слагаемых колебаний. Наконец, маятники пускают с одинаковыми начальными ампли- тудами, но с разностью фаз, равной одной четверти периода. Для этого вторую гирю отпускают в тот момент, когда первая проходит 135
положение равновесия. Амплитуда колебания среднего блока ока- зывается меньше, чем в первом, но больше, чем во втором случае. Гармонические колебания одинаковой частоты и направления, разность фаз которых длительно сохраняется постоянной, называют когерентными колебаниями, а явление сложения когерентных колебаний — интерференцией колебаний. 2. Изменяют немного частоту колебания у одного маятника и снова продолжают опыты. Маятники пускают с одинаковыми ампли- тудами и фазами. Продолжают наблюдение за движением среднего блока. Когда частоты слагаемых колебаний мало различаются, то в некоторые промежутки времени колебания обоих маятников поч- ти совпадают по фазе. В это время они, усиливая друг друга, за- ставляют средний блок колебаться с наибольшей амплитудой. Но через некоторое время колебания маятников оказываются в про- тивоположных фазах, и тогда амплитуда результирующего коле- бания становится равной нулю. Это явление повторяется, т. е. наб- людаются биения. Чтобы показать зависимость частоты биений от разности частот слагаемых колебаний, маятники расстраивают еще больше. Часто- та биений среднего блока увеличивается. В этих опытах начальные частоты выбирают так, чтобы можно было наблюдать несколько биений, прежде чем маятники прекра- тят свои колебания. 3. Увеличивают частоту колебаний у одного маятника в два раза. Для этого у пружины оставляют примерно одну четвертую часть работающих витков, а остальные ввертывают в держатель. После этого держатель с укороченной пружиной опускают в муфте так, чтобы нижние концы обеих пружин снова оказались на одном уровне. Маятники приводят в колебательное движение с одинаковыми начальными амплитудами, но с различными фазами. Теперь сред- ний блок совершает результирующее негармоническое колебание, форма которого, как показывает опыт, изменяется в зависимости от начальной разности фаз слагаемых колебаний. Полезно обратить внимание учащихся на обратную сторону этого явления — разложение результирующего колебания на его составляющие. Сложное периодическое колебание среднего блока р; складывается на простые гармонические колебания с частотами, кратными основной частоте сложного колебания. В этом случае составляющие колебания называют гармониками или обертонами, а сам процесс разложения — гармоническим анализом. Опыты с пружинными маятниками полезно продолжить, чтобы показать еще электрический способ фиксирования сложения коле- баний. Для этого несколько меняют установку (рис. 139). К ниж- ним концам пружин вместо гирь с блоками подвешивают неболь- шие дугообразные магниты, а под ними располагают катушку на 220 в от универсального трансформатора. Высоту пружин и 136
расстояние между ними регулируют так, чтобы оба магнита свобод- но входили одноименными полюсами внутрь катушки и при коле- баниях не мешали друг другу. Катушку соединяют со входом вер- тикального усилителя осциллографа ЭО-7, включенного в сеть на соответствующее напряжение. Вначале оба маятника настраивают на одну и ту же частоту ко- лебаний, а светлое пятно устанавливают в центре экрана осцилло- графа. Затем приводят в колебание первый мятник. Вследствие движения магнита в катушке возникает переменная электродвижущая сила, которая растягивает светлое пятно на экране в вертикальную полоску. Рекомендуется это растяжение довести до — диаметра экрана, используя для этого усилитель 3 электронного осциллографа. Колебания светлого пятна соответ- ствуют теперь колебаниям подвижного блока при механическом сло- жении колебаний. Останавливают первый маятник и приводят в колебание второй с той же амплитудой. Смещение пятна на экране оказывается та- ким же, как и при колебаниях первого маятника. Далее приводят в колебание оба маятника и наблюдают одно- временное воздействие двух электродвижущих сил одной частоты на электронный пучок при разности фаз, равной 0, 180 и 90°. После этого переходят к демонстрации сложения колебаний, незначительно отличающихся друг от друга по частоте. В этом слу- чае на экране получают характерную картину биений. В заключение показывают сложение колебаний с кратными ча- стотами . Электрический способ фиксации колебаний выгодно отличает- ся от механического, подробно рассмотренного выше, тем, что поз- воляет демонстрировать еще графически сложение двух колеба- тельных движений. Для этого необходимо включить генератор го- ризонтальной развертки с частотой 2—5 гц. Рекомендуется пока- зать отдельно график колебания первого маятника, затем второго и, наконец, демонстрировать график результирующего колебания для всех рассмотренных выше случаев. Для закрепления изучаемого материала показывают фрагмент «График колебательного движения» из учебного кинофильма «Коле- бания и волны». U П Ы ГП Сложение двух взаимно перпендику- лярных колебаний Оборудование: 1) слесарные линейки длиной 100 мм — 2 шт., 2) зеркала плоские из лабораторного набора по оптике — 2 шт., 3) осветитель для теневого проецирования, 4) линза на подставке, 5) экран проекционный, 6' детали штатива универсального (три треноги, два коротких металлических стержня, две лапки, два зажима). 137
Рис. 140. Установка для демонстрации сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний Сложение двух взаимно перпендикулярных колебаний осуще- ствляют оптическим способом. Для этого собирают установку по рисунку 140. Вибраторами служат две одинаковые слесарные ли- нейки, на концах которых укреплены плоские зеркала размером 4X9 см, взятые из лабораторного набора по оптике1. Линейки зажимают в лапках штатива так, чтобы одна из них колебалась в горизонтальной, а другая — в вертикальной плоскости. Осветитель, линзу (диаметром 80 мм с фокусным расстоянием 254 мм) и линейки с зеркалами расставляют на столе по схеме, изо- браженной на рисунке 141. Расстояние между осветителем и лин- зой равно примерно 25 см, между зеркалом и линзой — 75 см. Приборы регулируют так, чтобы слабо расходящийся от осве- тителя пучок света проходил собирающую линзу и, отразив- шись от зеркал, попадал на середину экрана, расположенного за демонстрационным столом. Перемещая линзу, добиваются четкого изображения на экране нити лампочки осветителя. Опыт начинают со сложения колебаний одинаковой частоты. Чтобы подогнать собственные частоты вибраторов друг к другу, одну из линеек постепенно перемещают в лапке штатива. После этого демонстрируют свободные колебания одной из линеек2. На экране получают светлую полоску, расположенную, например, го- ризонтально. Останавливают первую линейку и приводят в колебание вто- рую. Теперь на экране получается светлая вертикальная полоска. Это убеждает учащихся в том, что колебания вибраторов взаимно перпендикулярны. Затем демонстрируют одновременное колебание обеих линеек и наблюдают на экране картину результирующего колебания. 1 Способ крепления зеркал указан в опыте 56. 3 Возбуждать линейки надо так, чтобы в них не возникали добавочные крутильные колебания. 138
Рис. 141. Схема расположения приборов: / — осветитель; 2 — линза; 3 и 4 — вибраторы с зеркалами; 5 — экран; 6 — демонстрационный стол В такой упрощенной установке добиться полного совпадения собственных частот вибраторов трудно, поэтому одно колебание понемногу отстает от другого и разность фаз между ними увеличи- вается. В результате траектория результирующего колебания на экране постепенно изменяется, переходит через всевозможные для нее формы: прямая линия расширяется в эллипс, эллипс пре- вращается в круг, круг растягивается снова в эллипс, а эллипс стягивается в прямую линию и т. д. (рис. 142, верхний ряд). Чтобы описанный процесс на экране протекал медленнее, ре- комендуется во время демонстрации опыта добиться по возможно- сти более точного совпадения частот у вибраторов. Плавное изме- нение частоты в некоторых небольших пределах можно осущест- вить вращением зажимного винта лапки штатива, в которой укреп- лена линейка. Далее показывают сложение колебаний с различными частота- ми. Для этого одну из линеек немного перемещают в лапке штати- ва и снова повторяют опыт. Вначале каждую линейку возбуждают отдельно, чтобы показать различие частот их колебаний. Затем обе линейки приводят в колебание одновременно. При этом свет- лое пятно на экране начинает выписывать сложный узор периоди- чески повторяющихся движений. 139
Изменяя плавно частоту одной из линеек, получают кривые самой различной формы. При соотношении частот, выраженных целыми числами (1 : 1; 2 : 3; 1 : 2), и различных разностях фаз воз- никают относительно простые фигуры, известные в физике под наз- ванием фигур Лиссажу (рис. 142). Для стабилизации картины результирующего колебания на экране можно рекомендовать упрощенный опыт с одним вибрато- ром. Линейку 3 повертывают так, чтобы пучок света после отражения сразу падал на экран,. После этого ее заставляют совершать одно- временно два взаимно перпендикулярных колебания — попереч- ные и крутильные. В зависимости от соотношения частот, ампли- туд и фаз этих колебаний светлое пятно на экране будет выписы- вать ту или иную фигуру Лиссажу. При постановке этих опытов следует иметь в виду, что картина результирующего колебания не зависит от частоты складываемых колебаний, а определяется только их соотношением. ОпЫГП Вынужденные колебания. Резонанс 63 Оборудование: 1) пружины спиральные с крючками — 2 шт., 2) шар деревянный с двумя крючками и съемным демпфером, 3) машина цен- тробежная с конусной насадкой и эксцентриком, 4) блок диаметром 25—50 мм в обойме на стержне, 5) штатив универсальный, 6) нить капроновая, 7) кру- жок картонный —• индикатор. Для демонстрации вынужденных колебаний собирают установ- ку с горизонтальным пружинным маятником (рис. 143). За крючки деревянного шара диаметром 50—70 мм зацепляют две одинаковые спиральные пружины. В отверстие шара ввинчивают стержень с блоком. Последний надевают на горизонтальный (удлиненный) стержень П-образной подставки, собранной из универсального шта- тива. Один конец пружины зацепляют за винтовой зажим, а второй привязывают к капроновой нити длиной 40—50 см. На нити укреп- ляют картонный круг — индикатор, диаметром 50—70 мм. Для этого нить продевают в два отверстия круга, расположенных сим- метрично его центра. Конец нити с помощью петельки зацепляют за эксцентрик из набора принадлежностей к универсальному электро- двигателю. Эксцентрик укрепляют на центробежной машине с по- мощью конусной насадки. Для вращения машины применяют са- модельную ручку. Ее ввертывают с обратной стороны шпинделя вместо крючка. Натягивают пружины перемещением центробежной машины и устраняют возможные перекосы. 1. Вначале показывают свободные колебания. Для этого шар отводят от положения равновесия и отпускают. Маятник, предо- ставленный самому себе, начинает совершать затухающие колеба- 140
Рис. 143. Установка для демонстрации вы- нужденных колебаний и резонанса; внизу— шар с демпфером ния с частотой, зависящей от свойств самой колебательной системы: массы колеблющегося шара, упругости пружины и силы сопротив- ления. Когда шар остановится, демонстрируют вынужденные колеба- ния. Машину приводят в равномерное вращение с частотой, мень- шей частоты собственных колебаний маятника. На маятник через нить начинает действовать внепГняя периодическая сила. Вынужденные колебания устанавливаются не сразу. Вначале маятник совершает довольно сложные колебания, так как к вынуж- денным колебаниям примешиваются еще и собственные колебания, возбужденные в начальный момент действия силы. Но через некото- рое время, называемое периодом установления режима, свободные колебания затухают и остаются только вынужденные. Внимание учащихся сосредоточивают на движении шара и кар- тонного круга — индикатора, характеризующего действующую си- лу. Приходят к заключению, что частота вынужденных колебаний равна частоте изменения действующей силы; амплитуды обоих колебаний почти одинаковы. Постепенно увеличивают скорость вращения машины и наблю- дают возрастание амплитуды вынужденных колебаний. Когда частота внешней силы окажется близкой к собственной частоте колебаний маятника, амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Это явление называют резонансом. При дальней- шем увеличении скорости вращения амплитуда вынужденных коле- баний уменьшается (через некоторое время становится меньше ам- плитуды силы), но частота по-прежнему совпадает с частотой дей- ствующей силы. Об этом судят, сравнивая колебания шара и инди- катора на нити. 141
Затем скорость вращения машины постепенно уменьшают до первоначальной величины. Все явления повторяются в обратном порядке. Проделанный опыт позволяет сделать следующие выводы: 1) в колебательной системе, на которую действует периодически изменяющаяся сила, устанавливаются вынужденные колебания, 2) частота вынужденных колебаний равна частоте действующей силы и 3) амплитуда вынужденных колебаний достигает наиболь- шей величины, когда частота вынуждающей силы почти равна ча- стоте собственных колебаний системы. 2. Далее переходят к выяснению зависимости фазы вынужден- ных колебаний от частоты вынуждающей силы. Описанный опыт с маятником повторяют. При медленном вращении машины шар и индикатор колеблются согласованно: они одновременно проходят положение равновесия, одновременно достигают крайних положений и все время имеют одинаковые направления движения, т. е. фазы их совпадают. Увеличивая частоту колебаний силы, замечают, что вынужден- ные колебания начинают отставать по фазе от вынуждающей силы. В момент резонанса разность фаз достигает 90°. Когда частота внешней силы становится больше частоты соб- ственных колебаний, шар и индикатор колеблются в противополож- ные стороны, указывая, что разность фаз достигла 180’- После этого нетрудно объяснить, что только при разности фаз в 90° направление вынуждающей силы в течение всего периода сов- падает с направлением движения колеблющегося тела. При этом внешняя сила все время подталкивает колеблющееся тело, совершая положительную работу. Во всех остальных случаях сила то ускоря- ет, то тормозит движение тела. В результате полная работа близка к нулю. При резонансе от источника (вибратора) к приемнику (резона- тору) передается наибольшее количество энергии. За счет этой энер- гии происходит увеличение амплитуды колебаний. Но с увеличе- нием амплитуды возрастают потери энергии на преодоление сопро- тивления среды и потому амплитуда автоматически принимает та- кое значение, при котором прибыль энергии как раз компенсиру- ется расходом на трение и излучение в окружающую среду. 3. Чтобы выяснить влияние трения на резонанс, маятник дем- пфируют двумя картонными полосками, которые вставляют с по- мощью держателей в боковые отверстия шара (рис. 143). Повторя- ют опыт и убеждаются, что при наличии значительного трения про- цесс установления вынужденных колебаний происходит быстрее, а резонансная амплитуда лишь немного превышает амплитуду ко- лебаний действующей силы. Другими словами, при наличии зна- чительного затухания колеблющееся тело теряет всю получаемую им энергию уже при небольших амплитудах, и потому явление ре- зонанса выражено слабо. 142
П Ы ГП Резонанс маятников 64 Оборудование: 1) грузы 50 Г с крючками — 3 шт. и 100 Г — 1 шт., 2) штатив универсальный, 3) струбцинки — 2 шт., 4) прочная пить, 5) метр демонстрационный. Собирают установку по рисунку 144 и треноги закрепляют на столе струбцинками. Опыт проводят в такой последовательности. 1. Нить берут рукой за середину и приводят в колебание с не- большой амплитудой. Частоту колебаний подбирают одинаковую с частотой собственных колебаний одного из маятников. Амплиту- да колебаний выбранного маятника начинает постепенно увеличи- ваться в то время, как остальные маятники только слегка покачи- ваются. Изменяя частоту колебаний нити, проделывают описанный опыт поочередно с каждым из маятников и разъясняют сущность явле- ния. 2. Все маятники останавливают, а маятник 1 приводят в коле- бание (он выполняет роль вибратора) и наблюдают за поведением остальных маятников. Замечают, что сильнее всего раскачивается маятник 4, имеющий с вибратором одинаковую частоту. Длину маятника 1 уменьшают до 75 см и снова повторяют опыт. Теперь резонирует маятник 3. Наконец, длину маятника 1 умень- шают до 50 см и демонстрируют резонанс маятника 2 Рис. 144. Установка для демонстрации резонанса нитяных маятников 143
3. Маятниками 2, 3 и 4 пользуются как вибраторами, а маятник / применяют в качестве резонатора. Изменяя постепенно длину маятника /, добиваются явления ре- зонанса для каждого маятника, т. е. демонстрируют настройку резонатора на частоту вибратора. Следует обратить внимание учащихся на разность фаз между колебаниями вибратора и резонатора. В момент резонанса она рав- на 90°, что очень хорошо наблюдается на опыте вследствие медлен- ных колебаний маятников. В постановке описанных опытов большое значение имеет вели- чина связи между маятниками. Нить между ними должна быть натянута очень слабо, чтобы энергия от вибратора поступала толь- ко в одном направлении — к резонатору. При сильной связи про- исходит обмен энергией между маятниками и явление резонанса осложняется биениями. Опыт Принцип действия резонансного тахометра 65 Оборудование: 1) модель резонансного тахометра, 2) центро- бежная машина на треноге с эксцентриком и конусной насадкой, 3) резино- вая прокладка, 4) экран, 5) кинофильм «Резонанс», 6) кинопроектор. Модель резонансного тахометра представляет собой железную скобу, с одной стороны которой имеется зажимный винт, а с другой прикреплены между двумя брусочками четыре упругие пластинки различной длины (рис. 145). На концах пластинок имеются жестя- ные прямоугольники — флажки, покрытые белой краской. Пла- стинки могут совершать упругие колебания, причем собственная ча- стота пластинок различна. Для демонстрации прибор укрепляют на центробежной машине, установленной в треноге от универсального штатива (рис. 146). На шпинделе машины закрепляют эксцентрик, взятый из набора принадлежностей к универсальному электродвигателю. Вместо эксцентрика можно взять подходящих размеров гайку и укрепить ее сбоку шпинделя под зажимный винт. Под основание машины подкладывают резиновую прокладку. Повертывают флажки в сторону учащихся и, придерживая ма- шину рукой, плавно вращают рукоятку, медленно и равномерно увеличивая скорость. В это время пластинки прибора испытывают периодические толчки, частота которых равна числу оборотов маши- ны. Когда частота вынужденных колебаний совпадет с собственной частотой одной из пластинок, амплитуда колебаний последней^Силь- но увеличивается и ее белый флажок растягивается в светлую полос- ку. При постепенном увеличении скорости вращения пластинки 144
вступают в резонанс поочередно — начиная с самой длинной. После наблюдения резонанса на послед- ней (короткой) пластинке скорость машины еще немного увеличивают; затем, отпустив рукоятку, предоставляют машине вращаться по инерции. По мере уменьшения скорости вращения машины коле- бания пластинок повторяются в обратном порядке. Если известна собственная частота колебаний пластинок, то с помощью такого прибора можно было бы определить скорость вращения машины. Учащимся сообщают, что на этом принципе ос- новано действие язычкового частотомера, которым измеряют частоту переменного тока. Устройство и принцип действия этого прибора подробно рас- крывается в учебном кинофильме «Резонанс»1. Из этого фильма учащимся демонстрируют первую часть, которая имеет следующее содержание. Вна- чале показывается установка с вертикальным пру- жинным маятником, соединенным через систему' рычагов с редуктором электродвигателя. Маятник совершает свободные колебания. Определяется ча- стота этих колебаний. Затем приводится в дей- ствие электродвигатель, и груз на пружине начина- ет совершать вынужденные колебания. Число обо- ротов вала редуктора измеряется тахометром. Постепенно увеличивается скорость вращения двигателя. Частота вынужденных колебаний груза тоже увеличивается, но амплитуда почти не изме- няется. Когда частота вынуждающей силы совпадает с частотой собственных колебаний, возникает рс- Рис. 145. Мо- дель резонанс- ного тахометра Рис. 146. Цент робежная ма- шина с мо- зонанс — резкое возрастание амплитуды вынуж- делью резонан денных колебаний груза. При дальнейшем увеличе- сного тахомет- нии скорости вращения амплитуда уменьшается, ра но частота колебаний груза возрастает. Далее надо пропустить кадры, на которых показывается явле- ние звукового резонанса (этот материал изучается позднее), и пе- рейти к применениям резонанса в быту и технике. Из технических применений в фильме демонстрируется устрой- ство и действие частотомера. Снимается крышка с прибора и пока- зывается его внутреннее устройство — электромагнит и стальные язычки различной длины, укрепленные на железной планке. На схеме рассматривается принцип действия прибора. По об- мотке электромагнита пропускается переменный ток. При одном 1 Кинофильм звуковой, в двух частях, выпущен в 1956 году. 145
направлении тока действие электромагнита усиливается, при дру- гом— ослабевает. Планка с язычками колеблется с частотой перемен- ного тока. Наибольшая амплитуда колебаний наблюдается у языч- ка, собственная частота которого совпадает с частотой перемен- ного тока. Далее показывается применение частотомера для измерения частоты механических колебаний, возбуждаемых электродвигате- лем. На этом демонстрацию первой части следует закончить. Остав- шиеся кадры, раскрывающие вредную сторону резонанса, лучше показать после демонстрации опыта «Резонанс при работе электро- двигателя». П Ы ГП Резонанс при работе электродвигателя 66 Оборудование: 1) универсальный электродвигатель на трено- ге с Эксцентриком и резонирующей пластинкой, 2) реостат с сопротивлением 600 ом или автотрансформатор ЛАТР-2 или РНШ-56, 3) экран, 4) кинофильм «Резонанс», 5) кинопроектор. В осветительную сеть включают через реостат или автотранс- форматор универсальный электродвигатель переменного тока. К корпусу двигателя привинчивают металлическую насадку, на ко- торой между двух брусочков укреплена упругая пластинка — резо- натор (рис. 147). Якорь электродвигателя никогда не бывает центрирован иде- ально. Поэтому при вращении якоря возникают вибрации с часто- той, равной частоте вращения. Эти вибрации передаются корпусу двигателя и столу. При медленном увеличении скорости враще- ния двигателя частота вынужденных колебаний в некоторый момент совпадает с частотой соб- ственных колебаний пластинки. В это вре- мя наступает резо- нанс, который хоро- шо наблюдается по интенсивному коле- банию пластинки. Рис. 147. Установка с электродвигателем для демонстрации резонанса 146
Затем скорость вращения немного увеличивают и оставляют по- стоянной, а медленно изменяют длину пластинки-резонатора, пере- мещая ее за нижний конец в держателе. При этом снова возникает явление резонанса. Подобная настройка резонатора на частоту вибратора может слу- жить механической аналогией процесса настройки приемного коле- бательного контура на данную радиостанцию. При дальнейшем увеличении числа оборотов двигателя легко подстроиться в резонанс с собственными колебаниями стола. При этом слышен громкий звук (дребезжание крышки стола) и электро- двигатель начинает «ползти» по столу. Еще увеличивают скорость двигателя и обращают внимание на то, что он опять начинает работать спокойно. Если двигатель не дает достаточной вибрации и резонанс наблю- дается слабо, то на ось двигателя насаживают эксцентрик. Учащимся сообщают, что с возможностью возникновения опас- ных вибраций при резонансе приходится считаться при конструи- ровании, постройке и установке различных машин и сооружений. В связи с этим показывают фрагменты из учебного кинофильма «Резонанс». Разрушительное действие резонанса раскрывается в конце пер- вой и во второй части фильма. В первой части рассматриваются два примера. 1) Мальчик рас- качивает доску в такт с собственными колебаниями. Амплитуда сильно возрастает — и доска ломается. 2) Через Египетский мост на реке Фонтанке в Ленинграде проходит кавалерийский эскадрон. Четкий шаг лошадей совпадает с собственной частотой колебаний моста. Происходит катастрофа — мост разрушается. Во второй части показываются способы борьбы с резонансом с целью предупреждения его вредных последствий. Начальные кад- ры раскрывают общий вид вибрационной лаборатории, в которой изучаются колебания, возникающие в паровых турбинах. Меха- нические колебания отдельных частей и деталей машин с помо- щью пьезодатчиков преобразуются в электрические колебания, ко- торые регистрируются измерительными приборами. Подробно по- казывается возникновение резонансных колебаний у лопаток турбины, а затем на схеме разъясняется причина их возникно- вения. Фильм заканчивается показом стабилизатора боковой качки ко- рабля. Это устройство представляет собой систему сообщающихся баков, установленных по бортам корабля. Период колебания воды в баках подбирается одинаковым с периодом колебаний корабля. Когда волна наклоняет корабль, вес перемещающейся воды в баках действует на корабль в обратном направлении. Благодаря этому бортовая качка корабля ослабляется. 147
Опыт Автоколебания 67 Оборудование: 1) маятник полусекундный на подставке, 2) спи- ральная пружина с держателем, 3) гиря весом в 1 кГ с крючком, 4) катуш- ка па 220 й от универсального трансформатора с железным сердечником, 5) реостат на 200 ом, 6) лампа электрическая на 127 в, 100 вт, 7) фотореле на панели, 8) сосуде сифоном, 9) штатив универсальный, 10) линейка слесарная, 11) провода соединительные —5 шт. Автоколебания могут быть получены в самых разнообразных колебательных системах — механических, электрических, электро- механических и др. 1. Механические автоколебания демонстрируют на модели ча- сов, известной учащимся из опыта 60. Вначале показывают основные части механической автоколеба- тельной системы: собственно колебательную систему (маятник), источник энергии, поддерживающий незатухающие колебания (ги- рю), и приспособление, регулирующее поступление энергии в коле- бательную систему (храповое колесо с анкерной вилкой). Затем заводят часы и показывают, что при любом начальном от- клонении маятника амплитуда его колебаний через некоторое время достигает определенной величины и после этого остается постоянной. Величина амплитуды определяется, с одной стороны, величиной энергии, поступающей от источника (гири), а с другой — расходом ее на преодоление различных сил сопротивления. При 148
установившихся колебаниях количество энергии, расходуемой ма- ятником за один период, равно количеству энергии, поступающей за это же время от источника. Такие стационарные незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет энергии постоянного источника, называют автоколебаниями. Далее изменяют частоту колебаний маятника, перемещая груз на стержне. При этом устанавливают, что частота автоколебаний не зависит от внешних условий, как это наблюдается в случае вы- нужденных колебаний; она определяется приведенной длиной ма- ятника. Изменение частоты автоколебаний приводит к изменению скорости расхода энергии источника (скорости опускания гири), причем поступление энергии в систему при любой частоте автома- тически регулируется самой системой благодаря наличию об- ратной связи. 2. Электромеханические автоколебания показывают на опыте с пружинным маятником. Для этого собирают установку по рисун- ку 148. Под гирей весом 1 кГ, подвешенной на пружине, распола- гают электромагнит, собранный из катушки на 220 в от универсаль- ного трансформатора и железного сердечника. Сверху к гире при- жимают конец слесарной линейки, укрепленной в лапке второго штатива. Между гирей и линейкой должен быть электрический контакт. Положение линейки регулируют так, чтобы она отходила от гири, когда последняя, двигаясь вниз, приблизится к сердечни- ку электромагнита на расстояние 1—2 см. Обмотку электромагнита соединяют с источником постоянного тока напряжением около 100 в последовательно со стойкой штати- ва, пружиной, линейкой, лампой накаливания и реостатом. 149
При включении тока маятник начинает совершать вертикаль- ные незатухающие колебания. Амплитуда автоколебаний зави- сит от величины тока в цепи, которую регулируют с помощью ре- остата. Сравнительно большой период этих колебаний (около 1,2 сек) облегчает наблюдение за работой автоколебательной системы, принцип действия которой аналогичен электрическому звонку. Наличие в цепи лампы накаливания позволяет следить за вре- менем действия электромагнита, т. е. временем поступления энер- гии от источника в колебательную систему. Частоту колебаний маятника можно изменять, уменьшая или увеличивая число работающих витков пружины. Для этого ее верхний конец ввертывают в держатель, как это описано в преды- дущих опытах. Периодическое включение и выключение тока в цепи можно получить при помощи фотореле, выпускаемого заводом «Электро- дело» (рис. 149) . Около маятника с электромагнитом располагают фотореле так, чтобы гиря в состоянии равновесия закрывала до- ступ дневного света к фотосопротивлению. В исполнительную цепь фотореле включают последовательно обмотку электромагнита, лампу накаливания (127 в, 100 вт) и реостат с сопротивлением 200 ом. Входную цепь фотореле питают от сети переменного тока 127 или 220 в. Для защиты от действия постороннего света на фотосопротивле- ние надевают небольшую трубку из черной бумаги. Маятник отклоняют рукой от положения равновесия и отпу- скают. Когда гиря поднимается до верхнего положения, она от- фотосопротивлению. Фотореле срабатывает и включает исполнительную цепь. При этом на гирю начинает действовать электромаг- нит. Благодаря инерции фотосопротивле- ния цепь электромагнита остается вклю- ченной все время, пока гиря движется вниз. В самом нижнем положении цепь выключается и действие электромагнита прекращается. При движении гири вверх цепь электромагнита остается выключен- ной. Момент включения и выключения цепи легко наблюдать по миганию лампы. Обращают внимание учащихся, что и в данном случае частота автоколебаний опре- деляется частотой собственных колебаний системы, амплитуда—величиной тока в це- пи электромагнита и поступление энергии автоматически регулируется самой системой благодаря наличию своеобразной обратной связи. крывает доступ света к Рис. 150. Прибор для демонстрации релакса- ционных колебаний . уровня воды в сосуде 150
3. В заключение демонстрируют автоколебания в системе, кото- рая сама по себе не может совершать свободных колебаний. С этой целью собирают установку по рисунку 150. Верхний сосуд разме- ром примерно 5 X 12 X 17 см должен быть прозрачным; в его дно вставлена резиновая пробка с изогнутой стеклянной трубкой ди- аметром около 1 см. Под сосуд подставляют банку или химический стакан. С помощью изогнутой металлической трубки, укрепленной сбоку стойки, соединяют верхний сосуд резиновой трубкой с водо- проводом, приоткрывают кран и обращают внимание учащихся на медленно поднимающийся уровень воды в сосуде. Как только вода закроет изогнутое колено трубки, начинает действовать сифон. Вода быстро переливается из верхнего сосуда в нижний, несмотря на ее непрёкращающийся приток из водопровода. Вытекание воды через сифон прекращается, когда ее уровень упадет до верхнего конца изогнутой трубки. После этого сосуд снова наполняется во- дой, и все явления повторяются. Итак, уровень воды в сосуде колеблется с периодом, определяе- мым не собственными колебаниями системы, а временем наполне- ния сосуда и выливания воды через сифонную трубку, т. е. време- нем релаксации системы. Поэтому такие автоколебания называют релаксационными. Полезно дать график этих колебаний и отметить их большое распространение в природе и технике. § 2. ВОЛНЫ Среди универсальных приборов, применяемых для демонстрации волновых процессов, наибольшее распространение нашла волновая машина (конструкция Б. С. Зворыкина) и волновая ванна. Волновая машина позволяет продемонстрировать ко- лебательные и волновые движения: колебание отдельной частицы, колебание двух частиц с разными фазами, образование поперечной волны, распространение поперечных и продольных волн, стоячие волны. При этом можно изменять частоту и амплитуду колебания, направление распространения волн, расположение узлов и пучно- стей стоячей волны. Прибор (рис. 151) смонтирован на прямоугольном черном щит- ке размером 60 X 27 см, установленном на чугунной подставке. Он состоит из 13 спиц с насаженными на них белыми шариками — на лицевой стороне — и простым механизмом для управления — на обратной стороне. Внизу каждой спицы под шариком имеется маленькая муфта, представляющая собой рулончик из сукна, ох- ваченный металлической обоймой. Муфта может с некоторым тре- нием перемещаться вдоль спицы и при необходимости поддерживать шарик на любой высоте. Каждая спица с шариком и муфтой а (рис. 152) является маят- ником, который вверху оттягивается пружиной б вправо, а внизу — 151
нитью в влево. Поэтому маятник остается в вертикальном поло- жении. Нити от маятников пропущены через 12 отверстий в щитке, расположенных по окружности, и скреплены вместе на обратной стороне щитка общим небольшим зажимом с ручкой (см. рис. 151, справа). Через верхнее отверстие пропущены сразу две нити — от первого и от тринадцатого маятников. На рисунке 153 показано устройство зажима. Он состоит из трех металлических шайб, скрепленных винтом, головка которого служит ручкой. В средней шайбе имеется двенадцать отверстий для нитей. Между металлическими шайбами проложены картон- ные прокладки; к нижней поверхности подклеено сукно. При сла- бом сжатии шайб возможна регулировка длины каждой нити, пос- ле чего шайбы сжимаются винтом и прочно закрепляют нити. Зажим прижимается к щитку натяжением нитей и удерживается в любом месте между отверстиями в щитке. Пользуясь этим зажи- мом, можно продемонстрировать продольные волны. Для получения поперечных волн прибор имеет вторую систему нитей, привязанных не к маятникам, а к шарикам и позволяющих перемещать шарики вдоль спиц. Каждая из этих нитей огибает Рис. 151. Волновая машина: а- лицевая сторона; б -обратная сторона Рис. 152. Схема устрой- ства волновой машины Рис. 153. Устройство зажима нитей 152
Рис. 155. Установка диска для демонстрации про- дольных волн крючок у места подвеса спицы, проходит через одно из 12 отверстий второго ряда и прикрепляется на обратной стороне щитка к краю металлического диска (см. рис. 151, слева). Через верхнее отверстие пропущены вместе две нити — от первого и от тринадцатого шари- ков. Для крепления нитей в диске имеются винтовые зажимы, рас- положенные по окружности. На рисунке 154 показано, как надо устанавливать диск для де- монстрации поперечных волн. Для этого стержень а с шарниром ввинчивают в металлическое гнездо в, прикрепленное к щитку. Диск же оттягивают от щитка и насаживают центральным отвер- стием на винт шарнира, на который затем навинчивают рукоятку б. При таком положении диска все шарики поднимаются на уровень белой линии, имеющейся на лицевой стороне щитка. Когда демонстрируются продольные волны (а также во время хранения прибора), диск привинчивают винтом шарнира к метал- лическому гнезду в (рис. 155). При этом все шарики опущены вниз. Рукоятку привинчивают к свободному концу стержня и вклады- вают в специальный зажим, расположенный у края щитка. Волновая ванна служит для демонстрации волн на воде методом теневого проецирования. Прибор позволяет показать на экране образование, распространение, отражение, преломление, интерференцию и дифракцию волн. В комплект прибора входят следующие предметы (рис. 156): 1) Металлическая прямоугольная ванна 1 с пологими краями 153
Рис. 156. Волновая ванна с зеркальным дном: 1 — ванна; 2 — вибратор; 3—7 — съемные насадки к вибратору; 8 — вог- нутое зеркало; 9 — призма; 10 — линза; 11—12 — пластины с отвер- стиями размером 35 X 45 X 4 см. Ванна устанавливается на трех опо- рах, две из которых являются уравнительными винтами а. Сбоку ванны имеется винтовой зажим б для крепления вибратора. На дно ванны кладется плоское зеркало в размером 25 X 35 см. 2) Вибратор 2, представляющий собой плоскую пружину а, которая одним концом привернута к основанию б, а на другом имеет груз с винтом в для закрепления насадок. Вдоль основания прибора, заканчивающегося небольшим стержнем г, передвигается скоба с винтом д. При помощи этой скобы можно изменять длину колеблющейся части пружины и получать различную частоту коле- баний. Вибратор укрепляется на борту ванны с помощью винтового зажима. 3) Набор плоских металлических насадок к вибратору, имею- щих один шарик 3, два шарика 4 и 5, шесть шариков 6 и плоскую линейку 7. Насадки имеют вырезы в виде вилки для закрепления на вибраторе. 4) Набор, состоящий из металлической пластины в форме вог- нутого зеркала 8, двух стеклянных пластин толщиной 4 мм, имею- щих форму призмы 9, линзы 10, и двух плоских металлических пластин 11 и 12, приспособленных для установки на дно ванны. Пластинки имеют на одном конце вырезы, которые моделируют дифракционную решетку. При демонстрации опытов ванна устанавливается горизонтально на демонстрационном столе. Поверхность воды освещается сверху осветителем для теневого проецирования так, чтобы лучи света, отразившись от зеркального дна, падали на проекционный экран, расположенный наклонно над классной доской. Для уменьшения отражения волн от пологих краев ванны на них кладут полоски из какой-нибудь ткани. 154
Опыт 68 Образование и распространение поперечных и продольных волн Оборудование: 1) стержень с тремя маятниками, 2) волновая машина, 3) штатив универсальный, 4) резиновая трубка или шнур диаметром до 1 см и длиной 4—5 м, 5) резиновый шнур диаметром 1—1,5 мм и длиной 50—60 см, 6) кинофильм «Колебания и волны», ч. II, 7) кинопроектор. Изучение волновых процессов удобно начать с демонстрации колебания связанных маятников. Для этого к стойке штатива при- крепляют металлический стержень с тремя маятниками (см. опыт 57). Маятники уравнивают по длине и связывают примерно в середине тонким резиновым шнуром (рис. 157). Крайний шарик отклоняют от положения равновесия в плоско- сти, перпендикулярной горизонтальному стержню, и отпускают. Благодаря связи он через некоторое время раскачает второй ша- рик, а затем и третий. Показывают, что скорость передачи, колеба- ния от одного маятника к другому зависит от связи между маятни- ками. Для этого резиновый шнур опускают ближе к шарикам и снова повторяют опыт. Теперь процесс передачи колебаний проис- ходит быстрее. Напомнив учащимся, что частицы любого тела связаны между собой сила- ми молекулярного сцепления, приходят к выводу, что колебания, возбужденные в одном месте тела, должны распростра- няться по всему телу. Этот вывод под- крепляют демонстрацией волн на рези- новой трубке. Длинную резиновую трубку предва- рительно наполняют сухим песком и привязывают одним концом к ручке оконной рамы или к крюку, ввернутому в стену около демонстрационного стола; свободный конец берут в руку и слегка натягивают поперек класса. По спокой- ной трубке ударяют рукой на расстоя- нии 20—30 см от конца. Образовавший- ся изгиб сравнительно медленно пере- мещается по трубке и, дойдя до закре- пленного конца, возвращается обратно. Удары повторяют несколько раз, фик- сируя внимание учащихся лишь на вол- не, бегущей в прямом направлении. Начальный импульс трубке можно сообщить иначе: захватывают трубку Рис. 157. Связанные маят- ники 155
Рис. 159. Модель поперечной волны на волновой машине Рис. 158. Положение шариков на волновой машине в различ- ные моменты времени Рис. 160. Модель продольной волны на волновой машине большим и указательным пальцами свободной руки, быстро оття- гивают вниз на расстояние 3—5 см и отпускают или быстро встряхивают конец трубки рукой. В процессе демонстрации опыта выясняют, что: 1) отдельные точки трубки колеблются в направлении, перпендикулярном рас- пространению волны и 2) чем дальше точки расположены от источ- ника колебаний, тем позднее приходят они в колебательное дви- жение. Процесс распространения колебаний в упругой среде называют волновым движением, а направление распространения колебаний — лучом. Показывают, что скорость распространения волны зависит от величины силы сцепления между частицами среды, т. е. от упругих свойств среды. Для этого увеличивают натяжение резиновой труб- ки и снова возбуждают отдельные волновые импульсы. Убежда- ются, что скорость распространения волны тем больше, чем силь- нее натянута трубка. 156
После этого переходят к детальному выяснению механизма образования поперечных волн, пользуясь при этом волновой ма- шиной. Диск машины приводят в положение, при котором шарики ока- зываются опущенными к нижней планке (рис. 151, а). Затем с помощью муфт шарики поднимают и устанавливают на уровне белой черты, проведенной на щитке. Учащимся сообщают, что шари- ки машины моделируют отдельные частицы резинового шнура. На- чальное их положение соответствует положению равновесия шнура. Далее, переставляя шарики с помощью муфт, показывают рас- положение частиц среды при образовании и распространении по- перечной волны. Демонстрацию опыта сопровождают примерно следующим рас- суждением. Пусть на первую частицу подействовала кратковременная сила, направленная вверх. Под действием этой силы частица приходит в колебательное движение. Благодаря наличию связи между части- цами среды вслед за первой частицей с некоторым опозданием нач- нет двигаться вверх вторая, за ней третья и т. д. Через -i- Т пер- вая частица достигнет наибольшего отклонения от положения равновесия и остановится, а остальные частицы, вовлеченные за это время в движение, расположатся по синусоиде (рис. 158, а). После этого первая частица под действием силы упругости на- чинает двигаться вниз к положению равновесия и достигнет его через — Т. За это время еще несколько (три) частиц вовлекутся в колебательное движение, причем вторая и третья частицы после достижения наибольшего отклонения изменят свое движение на обратное. К концу второй четверти периода в крайнем верхнем положении окажется четвертая частица, а остальные расположат- ся, как показано на рисунке 158, б. Продолжая подобные рассуждения и одновременно перемещая 3 шарики на спицах, показывают их расположение в конце — Т 4 (рис. 158, в) и в конце полного периода колебания первой частицы (рис. 158, г). После этого диск волновой машины приводят в рабочее поло- жение, как показано на рисунке 154 (при этом муфты на спи- цах должны быть опущены) и рукой вращают рукоятку б так, чтобы она описывала боковую поверхность конуса. При этом воз- никает непрерывный процесс распространения поперечной волны (рис. 159). От направления вращения зависит направление распростране- ния волн, а от скорости вращения — скорость распространения волн. Чтобы увеличить амплитуду колебаний, увеличивают радиус вращения рукоятки. 157
В процессе демонстрации обращают внимание на два различных явления: колебательное движение частиц и распространение коле- бательного движения. Оба эти движения взаимно перпендикуляр- ны. Поэтому волны, в которых частицы среды колеблются перпен- дикулярно распространению волн, называют поперечными. На опыте показывают, что за время полного колебания любой из частиц (период) колебательное движение распространяется на расстояние, равное длине волны. Обращают также внимание на разность фаз колебаний отдель- ных частиц и дают понятие о длине волны, как о расстоянии между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе. Процесс образования продольной волны вначале показывают также на опыте со связанными маятниками (рис. 157). Для этого первый шарик отклоняют от положения равновесия в плоскости, проходящей через нити маятников, и, отпустив, наблюдают, как последовательно раскачиваются второй и третий шарики. Представление о продольной волне создают с помощью волно- вой машины. Для этого диск машины устанавливают в положе- ние, изображенное на рисунке 155. В этом случае шарики опускают- ся к нижней планке прибора. Взявшись за ручку нитяного зажи- ма, вращают ее по окружности, начерченной на щитке. При этом маятники с шариками совершают колебательное движение и созда- ют картину распространения продольных волн (рис. 160). В продольной волне так же, как и в поперечной, частицы ко- леблются с одинаковыми периодом и амплитудой и каждая по- следующая отстает от предыдущей по фазе. Различаются эти два вида волн лишь направлением колебания частиц. В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волны. Вследствие этого частицы среды то сближаются, то удаляют- ся друг от друга; процесс распространения продольной волны со- провождается перемещением областей сгущения и разрежения. Изменяя скорость вращения нитяного зажима, демонстрируют изменение скорости распространения волн. Показывают, что при изменении вращения зажима изменяется направление распростра- нения волн, а при увеличении радиуса вращения увеличивается амплитуда колебания частиц. Обращают внимание также на то, что точки, отстоящие друг от друга на расстоянии волны, имеют одинаковые фазы. Для закрепления материала учащимся демонстрируют пятый фрагмент из учебного звукового кинофильма «Колебания и волны». В этом фрагменте, называемом «Распространение колебаний», вна- чале показывается колебание нитяных маятников, а затем раскры- вается процесс образования поперечных и продольных волн. По- казываются волны на поверхности воды. Поплавки на воде наглядно доказывают колебание частиц воды; при распространении волн они совершают лишь вертикальные колебания, но не перемещаются вдоль направления распространения волн. 158
U И Ы ГЛ Волны на поверхности воды 69 Оборудование: 1) волновая ванна, 2) осветитель "для теневого проецирования, 3) универсальный электродвигатель со стробоскопическим диском, 4) реостат с сопротивлением 600 ом или автотрансформатор ЛАТР-2 или РНШ-56, 5) экран, 6) штатив универсальный. Волны на поверхности воды, как известно, нельзя отнести точ- но к поперечным. Несмотря на это, они очень удобны для изучения многих закономерностей волнового движения. Для демонстрации пользуются волновой ванной с прозрачным или зеркальным дном; опыты проводят в затемненном классе. В ванну наливают воды слоем 4—5 мм и уравнительными вин- тами устанавливают ее горизонтально. Если применяют ванну с зеркальным дном, то осветитель для теневого проецирования рас- полагают на столе рядом с ванной так, чтобы вся поверхность воды была освещена, а отраженный свет падал на экран, расположен- ный наклонно над классной доской (рис. 161). На борту ванны укрепляют вибратор, а на вибраторе — насад- ку с одним шариком, который должен касаться поверхности воды. Для ослабления отражения волн на пологие края ванны кладут по- лоски из какой-либо мягкой ткани и хорошо их смачивают. Далее желательно на штативе с осветителем укрепить еще уни- версальный электродвигатель со стробоскопическим диском так, Рис. 161. Установка для демонстрации воли па поверхности воды 159
чтобы диск пересекал пучок света, идущий от осветителя к ванне. Тогда, плавно регулируя число оборотов двигателя с помощью рео- стата или автотрансформатора, можно все явления, протекающие в ванне, показывать на экране в замедленном темпе, что значи- тельно улучшает качество демонстраций. Вначале показывают одиночные круговые волны. Для этого конец вибратора придерживают рукой и несколько раз быстро отрывают шарик от поверхности воды. На экране наблюдают ряд светлых и темных колец, расходящихся от места возбуж- дения. Учащимся сообщают, что расходящиеся светлые и темные коль- ца представляют собой гребни и впадины волн; частицы воды, рас- положенные в различных точках одного и того же кольца, колеб- лются в одинаковых фазах и образуют фронт волны. Такие волны называют круговыми. Затем демонстрируют непрерывный ряд круговых волн с по- мощью вибратора, возбуждая его периодически рукой (рис. 162, а). Полезно показать, что наблюдаемые волны близки к попереч- ным. Для этого на поверхность воды бросают несколько мелких кусочков бумаги или спичек. Тени на экране от этих предметов остаются почти неподвижными: распространяющиеся волны не увлекают их за собой, а заставляют совершать, главным образом, вертикальные колебания. Из наблюдений за распространением круговых волн (по неиз- менности формы фронта волны) можно сделать заключение о том, что они распространяются по всем направлениям с одинаковой скоростью. Учитывая этот факт, легко показать далее связь между длиной волны, частотой и скоростью распространения ко- лебаний. Для этого увеличивают частоту колебаний вибратора и наблюда- ют уменьшение длины волны. Далее к вибратору вместо шарика прикрепляют плос- кую насадку и располагают ее параллельно поверхности воды. Возбуждают вибратор и наблюдают волны с прямоли- нейным фронтом (рис. 162,6), и изменяя частоту колебаний вибратора, демонстрируют изменение длины волны. Как было уже замечено выше, видимую скорость рас- пространения волн можно изменять,если воспользовать- ся стробоскопической проек- цией. 160
Изменяя постепенно скорость вращения электродвигателя со стробоскопическим диском, можно получить замедленное движе- ние видимых на экране волн, остановить их и даже изменить на- правление движения на обратное, когда волны будут сбегаться к вибратору. Этого надо избегать, чтобы не отвлекать внимания уча- щихся от изучаемого явления. ПЫШ Интерференция волн 70 Оборудование то же, что и в предыдущем опыте. Собирают установку с волновой ванной по рисунку 161. К вибра- тору прикрепляют насадку с двумя шариками так, чтобы при коле- баниях они одновременно касались поверхности воды. Включают осветитель и один раз касаются шариками поверхности воды, со- здавая одиночные круговые волны. На экране получаются темные и светлые кольца, которые, разбегаясь от мест прикосновения ша- риков, встречаются и проходят дальше без всякого изменения формы. Опыт показывает, что волны от двух источников распрост- раняются независимо друг от друга. Возбуждают вибратор и получают непрерывный ряд круговых волн. Они, распространяясь, накладываются друг на друга на всей поверхности воды и образуют устойчивую картину интерференции, схематически изображенную на рисунке 163, а. На экране хорошо заметен ряд направлений, по которым распро- страняются волны. Эти области разделяются светлыми «дорожка- ми», где волнение воды значительно ослаблено. Опираясь на знания, по- лученные учащимися при изу- чении механических колеба- ний (см. опыт 61), разъясня- ют причину наблюдаемого явления. Любая из точек на поверх- ности воды одновременно уча- ствует в двух колебаниях, вы- званных каждой волной в от- дельности. Амплитуда резуль- тирующего колебания такой точки зависит от величины амплитуд и фаз дошедших до нее волн. В тех точках, где волны сходятся в одинаковых фазах, происходит усиление и Рис. 163. Интерференция волн на по- верхности воды при различной частоте вибратора 6 Заказ 480 161
частицы воды колеблются с удвоенной амплитудой. В других же точках, где волны встречаются в противоположных фазах, ко- лебания взаимно ослабляются и поверхность воды остается спо- койной. На экране эти места имеют вид светлых «дорожек». Так как расстояние до источников одной и той же точки постоян- но и частота источников не меняется, то и разность фаз колебаний в этой точке остается неизменной. Поэтому раз установившийся эффект усиления или ослабления волн сохраняется с течением вре- мени: на поверхности воды получается устойчивая интерферен- ционная картина. Если воспользоваться стробоскопической проекцией, то картину распространения волн можно сделать неподвижной. В этом случае легко показать, что максимумы интерференции получаются в тех местах, где разность хода волн равна нулю или целому числу длин волн (четному числу полуволн), а минимумы — в тех местах, где разность хода равна нечетному числу полуволн. Разность хода легко определить подсчетом числа волн от каж- дого источника до выбранной точки. Следует экспериментально подтвердить, что для возникновения устойчивой картины интерференции, наблюдаемой на экране, ис- точники волн должны быть обязательно когерентными, т. е. они . должны иметь одинаковые фазы (или постоянную разность фаз), одинаковые частоты и колебаться в одной плоскости. С этой целью показывают следующий опыт. Вместо вибраторов, закрепленных на одной колеблющейся пластинке, поверхность воды возбуждают двумя независимыми ис- точниками — двумя изогнутыми проволочками, которые приводят в колебание от руки. Теперь на экране положение максимумов и минимумов все время меняется и устойчивой картины интерферен- ции не получается. Далее к вибратору снова прикрепляют насадку с двумя шари- ками и изменяют частоту колебаний. Оказывается, чем меньше длина волн, тем при прочих равных условиях максимумы распо- лагаются ближе друг к другу (рис. 163, б). Делают вывод: по положению максимумов интерференции можно судить о длине волны. Положение максимумов зависит также и от расстояния между источниками волн. Чтобы показать это, к вибратору прикрепляют другую насадку с двумя шариками, расположенными ближе друг к другу. В этом случае (при той же частоте вибратора) расстояние между максимумами увеличивается. В заключение с целью повторения рекомендуется показать фрагмент «Интерференция волн» из учебного кинофильма «Колеба- ния и волны», где в наглядной форме объясняется изучаемое явление. 162
Опыт Принцип Гюйгенса 71 Оборудование: 1) волновая ванна, 2) осветитель для теневого проецирования, 3) экран, 4) штатив универсальный. Собирают установку с волновой ванной по рисунку 161. На д1 о ванны параллельно плоской насадке вибратора ставят в одну ли- нию две плоские пластинки. Между ними оставляют щель шири- ной примерно 0,5 см. Включают осветитель и приводят в колеба- ние вибратор в виде пластинки. На экране наблюдают, как прямолинейные волны, пройдя через отверстие, распространяются за преградой не только в прежнем направлении, но и во все стороны. Частицы воды, нахо- дящиеся в отверстии, как бы становятся новым центром колебания (рис. 164, а). Интенсивность круговых волн, распространяющихся за преградой, максимальна в направлении первоначального распространения волн и постепенно уменьшается с увеличением угла отклонения. Из этого опыта делают вывод: каждую точку среды, до которой до- шел волновой фронт, можно рассматривать как новый источник коле- баний, излучающий вторичную круговую волну (принцип Гюйгенса). Чтобы показать, как ведут себя вторичные волны, к вибратору прикрепляют насадку с шестью шариками. Шарики погружают в воду и, когда вода в ванне успокоится, быстро поднимают вверх конец вибратора. Опыт повторяют несколько раз и обращают внимание на то, как от каждого шарика на поверхности воды образуются круговые одиночные волны, которые можно рассматривать как вторичные. Рис. 164. Иллюстрации к принципу Гюйгенса 1G3 6
z^—когерентны и, интерферируя, со- 'здают волну с прямолинейным фрон- том. Только по краям фронт вол- Г'''~лу’^ ны остается круговым (рис. 164, б). Опыт полезно продолжить с само- дельным вибратором в виде кольца Рис. 165. Кольцевой вибратор диаметром 6—7 см, вырезанным из фанеры или плотного картона. В коль- цо вбивают 8—10 небольших гвоздей, располагая их по окружности на одинаковых расстояниях (рис. 165). Этот вибратор берут за ручку и всеми гвоздями одновременно касаются воды. При отрыве от поверхности воды острия гвоздей создают ряд круговых волн с огибающей в виде окружности (рис. 164, в). В этом опыте также полезно применить стробоскопичес- кую проекцию. и п Ы т Отражение волн 72 Оборудование: 1) волновая ванна, 2) осветитель для теневого проецирования, 3) экран, 4) штатив универсальный, 5) шары различной мас- сы с крючками — 2 шт., 6) резиновый шнур или трубка диаметром до 1 см и длиной 4—5 м. Устанавливают волновую ванну и осветитель по рисунку 161. К вибратору прикрепляют плоскую насадку и регулируют ее по- ложение так, чтобы при колебаниях она всеми точками одновре- менно касалась поверхности воды. Опыт начинают с демонстрации отражения волн от плоского зер- кала. Чтобы облегчить для учащихся наблюдение за распростране- нием и отражением волн, вначале вибратор приводят в колебание рукой, создавая одиночные волны. На экране наблюдают, как образовавшаяся волна доходит до плоской пластинки, поставленной на пути распространения волн, отражается от нее и изменяет свое направление. При этом фронт отраженной волны сохраняет свою форму. Видимую скорость распространения волн можно уменьшить, если воспользоваться стробоскопом. Тогда можно наблюдать, как падающая волна касается прежде всего ближайшего конца плас- тинки. Точки фронта волны, которые пришли в соприкосновение с пластинкой, можно рассматривать на основании принципа Гюй- генса как новые центры колебаний, откуда распространяются эле- ментарные круговые волны. 164
3 Рис. 166. Отражение волн от плоского и сферического зеркал Части пластинки, расположенные дальше от вибратора, при- ходят в соприкосновение с волной позднее и потому позднее ста- новятся центрами элементарных волн. Сложение всех элементар- ных волн дает прямолинейный фронт отраженной волны, который движется от пластинки в другом направлении. При четкой проек- ции можно наблюдать углы падения и отражения и отметить ра- венство этих углов. Затем пользуются вибратором и наблюдают непрерывный про- цесс распространения и отражения волн (рис. 166, а). Обращают внимание на изменение направления отраженных волн и на их ослабление по сравнению с падающими, вследствие поглощения части энергии телом, от поверхности которого происходит отра- жение. 165
Можно заметить также сетку стоячих волн, которая образуется перед пластинкой в результате интерференции падающих и отра- женных волн. После этого в ванну помещают вогнутое зеркало на расстоянии примерно 15—20 см от вибратора и снова повторяют опыт. В этом случае на экране отчетливо видно, как волны, отразившись от зер- кала, собираются в одну точку — главный фокус, а затем опять расходятся (рис. 166, б). При этом фронт отраженных волн прини- мает форму концентрических дуг. Это явление объясняется тем, что теперь волны сначала дости- гают краев пластинки. Поэтому элементарные волны здесь образу- ются раньше, чем в середине пластинки. Наложение этих волн и дает систему отраженных волн с круговым фронтом. Далее к вибратору прикрепляют насадку с одним шариком и показывают отражение от плоского зеркала круговых волн. Они имеют форму концентрических дуг, разбегающихся как бы из цент- ра, лежащего позади пластинки (рис. 166, в). При отражении круговых волн от вогнутого зеркала отражен- ные волны сбегаются в одну точку — фокус зеркала, при этом фронт волны может принимать различную форму. Например, если шарик вибратора поместить в главном фокусе зеркала (6—7 см от зеркала), то отраженные волны становятся прямолинейными (рис. 166, г). В этих опытах видимую скорость распространения волн мож- но также уменьшить, если воспользоваться стробоскопической проекцией. Далее следует разобрать два случая отражения: 1) от более плотной среды с потерей полуволны и 2) от менее плотной среды без потери полуволны. Оба случая демонстрируют на резиновом шнуре или трубке, наполненной сухим песком. Для наблюдения отражения волн от более плотной среды рези- новую трубку прикрепляют одним концом к крюку, ввернутому в стену. Трубку слегка натягивают поперек класса и ударом руки или линейки возбуждают одиночную волну. При этом наблюдают срав- нительно медленное распространение волны вдоль трубки вперед впадиной и ее возвращение обратно вперед гребнем (отражение с потерей полуволны), как это показано на рисунке 167. Чтобы полнее выяснить механизм рассматриваемого отраже- ния, показывают опыт с двумя маятниками, имеющими одинаковую длину, но различные массы (рис. 168). Маятник с малой массой мо- делирует одну из крайних частиц резиновой трубки, а маятник с большой массой — соседнюю частицу среды, отражающей волны. Отклоняют малый маятник на некоторый угол и отпускают. Он начинает колебание, но, ударившись о большой, отскакивает от него, не закончив второй половины своего колебания. Иначе гово- ря, движение малого маятника изменяется так, что после первой четверти периода его колебания наступает сразу же четвертая чет- I6t;
Рис. 167. Отраже- ние волн с поте- рей полуволны Рис. 169. Отраже- ние волн без поте- ри полуволны Рис. 168. Маятники раз- ной массы верть; вторая и третья четверти периода выпадают. Большой маят- ник при этом остается на месте. Опыт повторяют несколько раз и сообщают, что примерно то же самое происходит и в случае отражения волны, бегущей по ре- зиновой трубке от крюка стены. Таким образом, при отражении волны от более плотной среды на границе раздела фаза колебания меняется на 180°, что и приводит к потере полуволны. Для наблюдения отражения волн от менее плотной среды между резиновой трубкой и крюком стены привязывают кусок веревки длиной 20—30 см. Ударом руки или линейки снова возбуждают в трубке волну. Теперь отраженная волна возвращается вперед впадиной, т. е. отражение происходит без потери полуволны (рис. 169). Для уяснения механизма этого отражения снова возвращают- ся к опыту с маятниками. Теперь отклоняют большой маятник в сторону и отпускают. При этом малый маятник, получив толчок, отскакивает от большого, так как он не в состоянии изменить фазу колебаний последнего. Большой же маятник продолжает движение в прежнем направлении и проходит последовательно все фазы коле- бания. Нечто подобное происходит и в случае отражения волн от ме- нее плотной среды. 167
Опыт Стоячие волны 73 Оборудование: 1) волновая машина, 2) универсальный электро- двигатель с эксцентриком и поводком, 3) шнур резиновый или трубка диа- метром до 1 см и длиной 4—5 м, 4) линейка стальная длиной 80—100 см, 5) проекционный аппарат, 6) экран, 7) стеклянная кювета к проекционному аппарату, 8) кинофильм «Колебания и волны», ч. II, 9) кинопроектор. Стоячие волны легко получить, используя отражение волн на резиновом шнуре. Шнур берут за непривязанный конец, слегка натягивают поперек класса и приводят в равномерное колебание в вертикальной плоскости. Частоту колебаний и натяжение шнура подбирают практически так, чтобы сначала на шнуре образова- лась одна стоячая волна, затем две и, наконец, три (рис. 170). Большее число стоячих волн получить вручную трудно, и в этом нет необходимости. Учащимся разъясняют, что вдоль шнура распространяются в противоположных направлениях две волны — прямая и отражен- ная. Эти волны когерентны; они интерферируют друг с другом и дают наблюдаемую картину стоячих волн. Те точки шнура, в которых волны встречаются в одинаковых фазах, колеблются с наибольшей амплитудой (пучности); те же точ- ки, в которых волны встречаются в противоположных фазах, оста- ются в покое (узлы). Расстояние между двумя соседними узлами или пучностями называют длиной стоячей волны. Как показывает опыт, длина стоячей волны в два раза короче бе- гущей. Отмечают, что в пучностях стоячей волны сосредоточивается главным образом кинетическая энергия, а в узлах — потенциаль- ная. Когда частицы шнура проходят положение равновесия, кине- тическая энергия достигает максимума, а потенциальная энергия становится минимальной. Через четверть периода кинетическая энергия убывает до нуля, а потенциальная становится мак- симальной, так как в этот момент в областях около узлов растя- жение шнура становится наибольшим. Таким образом, в стоячей волне происходит непрерывное прев- ращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно. При этом энергия не перемещается в пространстве, а остается на месте. Отсюда и происходит название «стоячая волна». Рис. 170. Стоячие волны на резино- вом шнуре 16S
Рис. 171. Модель стоячих волн на волновой машине Рис. 172. Стоячие волны на сталь- ной линейке Механизм образования стоячих волн можно дополнительно про- демонстрировать на волновом приборе конструкции Петраевского1. Однако лучше воспользоваться учебным кинофильмом «Колебания и волны» и показать из него фрагмент «Стоячие волны». Характер движения частиц в стоячей волне уточняют с помо- щью волновой машины, которую предварительно приводят в такое положение, как и для демонстрации распространения поперечных волн (см. рис. 154). Но рукоятку диска не вращают, а сообщают ей колебательное движение в какой-либо плоскости, перпендикуляр- ной к плоскости щитка. Во всех случаях на машине получаются две стоячие волны, узлы и пучности которых распределяются в зависи- мости от направления колебаний рукоятки. Если рукоятке сообщать колебания в горизонтальной плоско- сти, то шарики 1, 7 и 13 остаются неподвижными (узлы), а ша- рики 4 и 10 колеблются с наибольшей амплитудой (рис. 171, а). При колебаниях рукоятки в вертикальной плоскости остаются не- подвижными шарики 4, 10 (узлы), а шарики 1, 7 и 13 колеблются с наибольшей амплитудой, т. е. пучности получаются на концах и в середине (рис. 171, б). Полезно также обратить внимание на различие между стоячей и бегущей волнами. Учащиеся уже знают, что в бегущих волнах частицы среды колеблются с одинаковой амплитудой (если не учи- тывать затухания), но фазы их различны. В стоячей волне, наобо- рот, все частицы между двумя соседними узлами колеблются в оди- 1 В. В. Петраевский, Некоторые приборы и опыты по физике, «Физика в школе», 1946, №.2, стр. 119—130, L69
Рис. 173. Стоячие волны на поверх- ности воды (вид сбоку) наковой фазе, но амплитуды их различны. При переходе через узел фаза колебания частиц изменяется скачком на противопо- ложную. Это легко наблюдать на волновой машине. Для получения стоячих продольных волн машину приводят в положение, при котором на ней демонстрируют распространение про- дольных волн (см. рис. 155). Ручку зажима не вращают, а двигают прямолинейно по диа- метру окружности, на которой размещены отверстия для нитей. Расположение узлов и пучностей и в этом случае будет зависеть от направления движе- ния рукоятки. Если зажим двигать в горизон- тальном направлении, то шарики 1, 7 и 13 будут стоять на месте (узлы), а шарики 4 и 10 — колебаться с наибольшей амплитудой (пучности), т. е. на машине опять укладываются две стоячие волны. При движении зажима вдоль вертикали шарики 4 и 10 остаются неподвижными (узлы), а шарики 1, 7 и 13 колеблются с наиболь- шей амплитудой (пучности). Фазы колебания всех шариков между двумя соседними узлами остаются одинаковыми, а при переходе через узел изменяются на 180°. Таким образом, характер движения частиц в стоячей волне та- кой же, как и при упругих колебаниях тела, например, спираль- ной пружины с грузом или стальной пластинки. На рисунке 172 показаны виды стоячих поперечных волн, которые можно без затруднений получить на упругой пластинке при колебаниях ее вручную. Некоторые закономерности можно также демонстрировать, возбуждая стоячие волны на резиновом шнуре. Для этого берут универсальный электродвигатель, укрепляют его в треноге универсального штатива, привернутой к столу струбцинкой. На выступающий конец вала электродвигателя надевают диск с экс- центриком и закрепляют его стопорным винтом. На ролик эксцентрика надевают металлический поводок (он входит в комплект универсального электродвигателя), а к поводку прикрепляют шнур. Свободный конец шнура берут в руку и распо- лагают его горизонтально вдоль демонстрационного стола. Пус- кают электродвигатель и, слегка натягивая шнур, добиваются четких и устойчивых стоячих волн. Для демонстрации зависимости длины волны от частоты колеба- ний увеличивают или уменьшают число оборотов электродвигателя с помощью реостата или автотрансформатора. При этом число стоя- чих волн, укладывающихся па шнуре, изменяется. 170
При увеличении силы натяжения шнура число стоячих волн уменьшается, а длина их увеличивается. Это объясняется тем, что скорость распространения волн в шнуре возрастает с увеличением его натяжения. Постепенно увеличивая длину колеблющейся части шнура на величину одной, двух, трех и т. д. длин волн, показывают зависи- мость числа волн от длины шнура. Если длину шнура изменять произвольно, то при прочих равных условиях стоячие волны или не возникают, или будут неустойчивыми. В заключение показывают стоячие волны на воде. Их можно демонстрировать в обычной прозрачной кювете с плоскопараллель- ными стенками, рассматривая сбоку. Для этого кювета с водой проецируется на экран с помощью проекционного аппарата. Волны возбуждаются концом карандаша, который приводят в вертикаль- ные колебания рукой около края кюветы (рис. 173). Опыт Преломление волн 74 Оборудование: 1) волновая ванна, 2) осветитель для теневого проецирования, 3) экран, 4) штатив универсальный. Преломление волн лучше всего демонстрировать на волнах, образующихся на поверхности воды. Скорость их распростране- ния зависит от глубины слоя воды, налитой в волновую ванну. Это обстоятельство и дает возможность показать явление пре- ломления. Для демонстрации опыта собирают установку с волновой ван- ной по рисунку 161. На дно ванны кладут стеклянную пластину в виде прямоугольной призмы. С обеих сторон призмы ставят плос- кие вертикальные экраны, обернутые тканью для уменьшения отра- жения волн. В ванну наливают столько воды, чтобы она покрывала призму слоем 2—3 мм. К вибратору прикрепляют плоскую насадку и сообщают ему колебательное движение. На экране наблюдают уменьшение длины волн над призмой и изменение их направления после прохождения через призму (рис. 174, а). Это объясняют тем, что в более мелких местах (над призмой) волны испытывают большее сопротивление и рас- пространяются с меньшей скоростью, чем в других глубоких местах. Затем на место призмы кладут стеклянную пластинку в форме линзы. Возбуждают вибратор и получают на экране картину, по- казанную на рисунке 174, б. Волны, пройдя над линзой, соби- раются в одной точке (фокусе), а затем расходятся, имея круговой фронт. 171
Рис. 174. Преломление волн при прохождении над приз- мой и над линзой ' Наблюдаемое явление объясняется тем, что волны, проходящие над серединой линзы, дольше движутся с малой скоростью, чем над краями линзы. В результате этого происходит искривление фронта. Опыт можно демонстрировать также и с круговыми волнами. При этом на экране будут наблюдаться картины, схематически изображенные на рисунках 174, виг. Для успеха описанного опыта необходимо тщательно подобрать глубину слоя воды над пластинкой, частоту и амплитуду колеба- ний вибратора, а также положение осветителя. Кроме того, приме- нение стробоскопической проекции увеличивает выразительность опыта. 172
Опыт Дифракция волн 75 Оборудование то же, что и в предыдущем опыте. Собирают установку с волновой ванной по рисунку 161. На вибратор надевают насадку с одним шариком, а на дно ванны на расстоянии 15 — 20 см от вибратора ставят тело прямоугольной формы, размеры которого в несколько раз больше длины волны. Включают осветитель для теневого проецирования и приводят в колебание вибратор. На экране наблюдают распространение волн и «тень», образующуюся позади препятствия. Вдоль границ «тени» замечают небольшую зыбь, указывающую, что волны слегка оги- бают края препятствия (рис. 175, а). Затем на дно ванны ставят тело, размеры которого в два-три раза больше длины волны. Теперь волны еще больше заходят в область геометрической тени, и ее контуры становятся размыты- ми (рис. 175, б). Наконец, заменяют тело таким, размеры которого примерно одинаковы с длиной волны. Замечают, что в данном случае обра- зование тени практически уже не происходит: волны огибают пре- пятствие и позади него распространяются так, как если бы препят- ствия не было (рис. 175, в). Таким образом, при приближении размеров препятствия к размерам длины волны наблюдается нарушение прямолинейности распространения волн, т. е. явление дифракции волн. Желательно подчеркнуть, что дифракция получается и с первым телом, только наблюдать ее в этом случае трудно: она образуется далеко от тела, а интенсивность волн на больших расстояниях мала. Рис. 175, Дифракция волн на препятствиях разных размеров 173
Рис. 176. Дифракция .волн на щели различной ширины В этих опытах можно заметить также слабые отраженные кру- говые волны. Их можно обнаружить и в том случае, если размеры препятствия во много раз меньше длины волны, например от про- волоки, поставленной в воду вертикально. Образование таких волн представляет собой особый случай дифракции, называемой рас- сеиванием волн. Благодаря такому рассеиванию можно обнаружить мелкие предметы, поставленные на пути распростра- нения волн. Далее следует показать прохождение волн через щель различ- ной ширины. Для этого на дно ванны ставят плоские экраны так, чтобы между их концами образовалась щель. Когда шири- на щели велика по сравнению с длиной падающей волны, явле- ние дифракции выражено слабо (рис. 176, а). По мере сужения щели все больше наблюдается загиба- Рис. 177. Дифракция волн на двух щелях ние волн за края экранов (рис. 176,6). И когда ширина щели становится сравни- мой с длиной волны, позади экранов по- лучаются полукольцевые волны, расходя- щиеся во все стороны из щели, как из центра (рис. 176, в). Полезно показать также дифракцию на двух щелях. Для этого плоские пластин- ки перевертывают вырезами вниз, а концы их соединяют вплотную друг к другу. По- зади пластинок наблюдают одновременно два явления — дифракцию и интерферен- цию волн (рис. 177). В заключение показывают распростра- нение круговых и прямолинейных волн на свободной поверхности воды. При этом обращают внимание учащихся на то, что в 174
круговой волне энергия от вибратора распространяется по всем направлениям; в волне же с прямолинейным фронтом энергия переносится направленно (см. рис. 162). Степень направ- ленности излучения, как показывает опыт, зависит от отношения длины насадок вибратора к длине создаваемых ими волн. Чем больше это отношение, тем дальше от вибратора сохраняется на- правленность излучения. Последнее объясняется также дифракцией, только здесь дифрак- ция происходит вокруг самого излучающего тела. § 3. АКУСТИКА Многие опыты по акустике, описанные в этом параграфе, де- монстрируются с помощью современных электроакустических и электронных приборов. С некоторыми из них необходимо позна- комиться подробнее. Школьный звуковой генератор типа ГЗШ-63 (рис. 178) применяется в качестве источника синусоидальных элек- трических колебаний звуковой частоты. Диапазон частот генерато- ра составляет от 20 до 20 000 гц и разбит на три поддиапазона: от 20 до 200 гц, от 200 до 2000 гц и от 2000 до 20 000 гц. Внутри каждого диапазона частота изменяется плавно и отсчитывается непосредст- венно по градуированному лимбу, расположенному на лицевой стороне прибора. Погрешность градуировки по частоте не превы- шает ± (0,05 f + 1) гц. Выход генератора рассчитан на нагрузку 5 ом, 600 ом и 5 000 ом. Это позволяет питать различные излучатели звука, например низ- коомный электродинамический громкоговоритель и высокоомный электромагнитный телефон. Выходное напряжение генератора из- меняется плавно от 0 до 220 в (на выходе 5000 ом). Генератор имеет хорошую частотную характеристику. Неравно- мерность ее относительно частоты 400 гц при согласованной нагруз- ке 600 ом не превышает ± 3 дб. Нелинейные искажения на боль- шей части диапазона (60—15 000 гц) составляют ±5%. Прибор смонтирован в металлическом ящике размером 330 X X 240 Х235 мм. На лицевой стороне прибора находятся все руч- ки управления и выходные зажимы, а на обратной — переключа- тель напряжения сети с предохранителями и колодкой питания. Генератор питается от сети переменного тока с напряжением 127 и 220 в. Мощность, потребляемая прибором, равна 80 вт, выходная мощность — 2 вт. Длительность непрерывной работы — два часа. Вместо школьного генератора в опытах можно приме- нять любой другой генератор, например типа ЗГ-1, ЗГ-10. Школьный электронный осциллограф (рис. 179) применяется для наблюдения формы различных звуко- вых колебаний в диапазоне частот от 20 до 18 000 гц. 175
Рис. 178. Школьный звуковой ге- нератор ГЗШ-бЗ Рис. 179. Школьный ос- циллограф ОЭШ-61 Прибор собран на осциллографической трубке типа 13Л037, имеющей экран диаметром 13 см. Чувствительность усилителя вертикального отклонения при частоте 1000 гц составляет около 0,5 мм/мв, а усилителя горизон- тального отклонения — не менее 45 мм/в. На входе усилителя вертикального отклонения имеется аттенюатор, позволяющий ис- следовать напряжение от 5 до 250 в. Осциллограф имеет три вида синхронизации: внутреннюю, от сети и внешнюю. В приборе предусмотрена также возможность подачи исследуе- мого постоянного и переменного напряжения непосредственно на пластины осциллографической трубки-. Отличительная особенность школьного осциллографа от других состоит в том, что он имеет слишком большую начальную частоту горизонтальной развертки, равную 30 гц. Это создает неудобство при демонстрации некоторых опытов. К тому же все ручки управ- ления вынесены на верхнюю панель. На лицевой стороне под эк- раном оставлены лишь три входные клеммы, два выключателя и сигнальная лампа. Левая и средняя клеммы являются входом верти- кального усилителя, а правая и средняя — входом горизонталь- ного усилителя. При подаче внешнего сигнала на вход горизонтального усили- теля ручку переключателя «диапазоны» надо поставить в положе- ние «0», при этом подводимое напряжение не должно быть свыше 25 в. Питается осциллограф от сети переменного тока с напряже- нием НО, 127 и 220 в. Потребляемая мощность прибора не более 80 вт. Длительность непрерывной работы — два часа Вместо школьного осциллографа может быть применен другой, например типа ЭО-4, ЭО-6М, ЭО-7. Усилитель низкой частоты (рис. 180) приме- няется как вспомогательный прибор для усиления сигналов от микрофона. Для этой цели оказался удобным малогабаритный, 176
Рис. 180. Усилитель низкой частоты одесского завода «Красный Октябрь» Рис. 181. Динамический микрофон МД-55 переносный усилитель, выпускаемый одесским заводом «Красный Октябрь». Он предназначен для усиления низкочастотных сигна- лов от микрофона, звукоснимателя, линии трансляционной радио- сети и усиления сигналов на выходе маломощных (до 2 вт) радио- приемников. Усилитель имеет три каскада усиления и обеспечивает на вы- ходе максимальную неискаженную мощность 1,5 вт. Чувствитель- ность на частоте 1000 гц при выходной мощности 1,5 вт составляет при работе от микрофона 3,5 мв, от адаптера — 100 мв и от линии — 10 в. Полоса воспроизводимых частот равна 100—6000 гц. Коэф- фициент нелинейных искажений — не более 7%. Усилитель имеет три пары входных гнезд с обозначениями М — микрофон, Ад—адаптер, Л — линия, две пары выходных гнезд, обозначенных Гр — громкоговоритель (низкоомный выход на 3,5 ом), и Л — линия (высокоомный выход на 600 ом), регулятор громкости, совмещенный с выключателем сети, и индикаторный глазок с цветным фильтром для сигнальной лампочки. Питается усилитель от сети переменного тока с напряжением ПО, 127 и 220 в. Потребляемая мощность — не более 40 вт. Вместо описанного усилителя может быть применен усилитель от школьного киноаппарата или хорошо известный усилитель низ- кой частоты демонстрационного типа, входящий в комплект прибо- ров для изучения электромагнитных колебаний и волн, выпускае- мый Главучтехпромом. Динамический микрофон типа МД-55 (рис. 181) применяется в качестве, приемника звука. Этот микрофон пред- назначен для радиовещания, звукозаписи, систем звукоусиления, диспетчерской службы и внестудийных передач. Он воспроизводит полосу частот от 60 до 8000 гц при неравномерности частотной ха- рактеристики не более 12 дб. Выходной уровень передачи на часто- те 1000 гц, при активной нагрузке 250 ом и звуковом давлении 1 бар составляет не менее —72 дб. 177
Рис. 182. Электродина- мический громкоговори- тель на подставке При работе с микрофоном необходимо оберегать его от ударов и резких сотрясе- ний и для устранения возможного «фона» располагать по возможности дальше от линий переменного тока. При необходи- мости применения удлиненного шнура по- следний обязательно должен быть экрани- рован и иметь на концах соответствующие переходные колодки. Для демонстрации описываемых опытов можно применять также микрофоны типа МД-41, МД-42, ' МД-44, а в некоторых случаях небольшой трансляционный гром- коговоритель с выходным трансформато- ром или даже высокоомный электромаг- нитный телефон, например типа «Октава» с сопротивлением 2200 ом. Электродинамический гром- коговоритель типа 1 ГД-5, (рис. 182) применяется в качестве излучателя звука. В опытах использует- ся громкоговоритель на подставке из комплекта приборов для изучения электромагнитных колебаний и волн, выпускаемого Главучтехпромом. Его можно заменить любым трансляционным громкоговорителем небольшой мощности. Другие электронные приборы описаны непосредственно в опытах. U П Ы 171 Источники и приемники звука 76 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) громкоговоритель, 3) телефон, 4) микрофон, 5) усилитель низкой частоты, 6) камертон на резо- нирующем ящике, 7) колокол стеклянный от воздушного насоса, 8) монохорд, 9) струна, натянутая на металлическом стержне, 10) органная труба с подвиж- ным поршнем, 11) сирена дисковая или зубчатая, 12) центробежная машина, 13) резиновый молоточек для возбуждения камертонов, 14) провода соеди- нительные. Данный опыт имеет цель кратко ознакомить учащихся с раз- личными источниками и приемниками звука, которые будут при- меняться в дальнейших опытах по акустике, сравнить их между собой и показать классификацию. 1. Вначале рассматривают источники, в которых звук возни- кает в результате свободных колебаний. Учащимся известно, что такие колебания появляются в результате некоторого начального толчка, а частота колебаний определяется свойствами самой коле- бательной системы. 178
С этой целью демонстрируют звуча- ние камертона. Его берут в руку за ножку и возбуждают ударом резинового молоточка. Камертон издает чистый, но негромкий звук. Последнее объясняют тем, что звуковые волны, возникающие от ветвей камертона, интерферируют между собой и в значительной степени гасят друг друга. Это заставляет на прак- тике соединять камертон с каким-либо другим хорошим источником излучений, который под действием камертона совер- шает вынужденные колебания, И, Кроме Рис. 183. Возбуждение ка- того, пользоваться явлением резонанса. меРтопа резиновым моло- Показать это можно следующим об- разом. Звучагций камертон сначала дер- жат в руке, затем ставят ножкой на крышку стола и, наконец, по- мещают на резонаторный ящик. Учащиеся совершенно отчетливо замечают разницу в громкости звучания во всех трех случаях. Повертывая камертон резонаторным ящиком от учащихся, а затем к ним, показывают, что ящик, кроме того, действует подобно ру- пору, направляя звуковые волны в одну сторону. При ударе молоточком камертон необходимо слегка приподни- мать над столом, удерживая его за гнездо, в которое он вставлен в ящик (рис. 183). Если камертон при ударе не приподнимать, а, наоборот, прижимать к столу, то можно испортить крышку ящика или выбить из нее гнездо для камертона. Затем демонстрируют звучание стеклянного колокола от воз- душного насоса. Его приподнимают за головку левой рукой, а правой ударяют по краю резиновым молоточком. Благодаря боль- шой поверхности колокол издает громкий и довольно чистый звук. Далее демонстрируют звучание струны от гитары или мандо- лины. Ее натягивают между двумя зажимами на длинном металли- ческом стержне от универсального штатива (рис. 184). Возбуждают струну рывками, держа стержень в руке. Оказы- вается, струна как излучатель звука еще хуже, чем камертон. Однако громкость резко возрастает, если стержень положить на стол. Увеличение громкости объясняют тем, что теперь вместе со струной колеблется и крышка стола. Аналогично действует дека различных музыкальных инструментов, в чем убеждают учащихся, показывая звучание струны на монохорде (рис. 185). Пользуясь монохордом, демонстрируют зависимость высоты тона от степени натяжения струны и от длины ее колеблющейся части. Рис. 184. Струна на стержне шта- тива 179
Рис. 185. Монохорд с двумя стру- нами Рис. 186. Органная труба с выдвиж- ным поршнем Указанные источники обладают сравнительно малйм затухани- ем, и создаваемые ими звуки имеют периодический характер. Та- кие звуки называют музыкальными тонами. Однако если скорость затухания источника велика, то звуки почти, теряют свою музыкальность и приобретают характер удара или щелчка. Такие быстро затухающие колебания демонстрируют на звуках, возникающих при ударе двух деревянных дощечек. 2. Далее рассматривают источники, в которых звук возбуж- дается в результате возникновения автоколебаний. В качестве примера таких источников демонстрируют звучание органной трубы с подвижным поршнем (рис. 186). При слабом дутье труба дает основной тон, а при сильном — один из оберто- нов. Перемещая в трубе поршень, показывают зависимость высоты тона от длины воздушного столба. Полезно напомнить, что автоколебания возникают и у струны, когда ее возбуждают хорошо наканифоленным смычком. Из музыкальных инструментов возбуждение автоколебаний имеет место, кроме смычковых инструментов и органных труб, в свистках, духовых инструментах, а также в голосовом аппарате человека. Рис. 187. Демонстрация зубчатой и дисковой сирен 3. Наконец, демонстрируют источники, в которых звук соз- дается в результате вынужден- ных колебаний. Показывают известные опыты с сиренами, которые приводят в равномерное вращение с по- мощью центробежной машины (рис. 187). Отмечают, что в этом случае звук возникает от частых ударов зубцов по краю упру- гой картонки (сирена зубчатая) или отверстий (сирена диско- вая). Картонка при этом совер- шает лишь вынужденные коле- 180
Рис. 188. Возбуждение ди- намика или телефона зву- ковым генератором бания. Частота этих колебаний определяется числом зубьев или отверстий сирены и скоростью ее вращения. С дисковой сиреной можно показать также известный опыт с прерыванием воздушной струи, направленной на отверстия сирены. Затем демонстрируют наиболее распространенные в настоящее время электроакустические излучатели — электродинамический громкоговоритель (динамик) и электромагнитный телефон. Ука- занные излучатели подключают поочередно к звуковому генера- тору и заставляют звучать на различных частотах при различной громкости (рис. 188). Обращают внимание учащихся, что диффу- зор громкоговорителя и мембрана телефона лишь воспроизводят (более или менее точно) колебания, к которым их вынуждает пере- менный электрический ток звуковой частоты. 4. Из приемников звука демонстрируют современный электро- динамический микрофон. Его включают на вход усилителя низкой частоты и располагают подальше от громкоговорителя, чтобы ис- ключить возникновение акустической связи (рис. 189). К микро- фону подносят какой-нибудь источник звука, например звучащий камертон на резонаторном ящике. Учащиеся слышат громкий, звук того же тона. Показывают, что приемниками звука может быть также динами- ческий громкоговоритель или телефон (явление обратимости).. Их подключают к усилителю низкой частоты с помощью экрани- рованных проводов. Рис. 189. Установка для демонстрации действия микрофона 181
Опыт Осциллографирование звука 77 Оборудование: 1) электронный осциллограф, 2) микрофон, 3) звуковой генератор, 4) громкоговоритель, 5) камертон на резонаторном ящике, 6) камертон с острием, 7) звучащий стержень, 8) монохорд, 9) орган- ная труба с подвижным поршнем, 10) проекционный аппарат с приспособле- нием для горизонтальной проекции, 11) резиновый молоточек, 12) закопчен- ная стеклянная пластинка, 13) провода соединительные. Самый простой способ записи колебаний камертона — это за- пись на закопченной стеклянной пластинке. На верхнюю, горизон- тально расположенную, конденсорную линзу проекционного ап- парата помещают предварительно закопченную с одной стороны стеклянную пластинку (рис. 190). В слое копоти делают неболь- шую царапину и, перемещая объектив, получают на экране ее рез- кое изображение. Затем возбуждают камертон низкого тона (« = 64 гц) с метал- лическим острием и быстро проводят им по закопченному стеклу. На черном фоне экрана учащиеся наблюдают образование светлой синусоиды. Для получения графика колебаний любого источника звука удобно воспользоваться электронным осциллографом. В этом слу- чае собирают установку по рисунку 191. На вход вертикального усилителя осциллографа включают электродинамический микро- фон. Переключатель аттенюатора ставят в положение до 5 в, а переключатель диапазонов развертки — в положение 30. Перед микрофоном уста- навливают звучащий камер- тон на резонаторном ящике и, пользуясь регулятором плавного изменения частоты горизонтальной развертки, получают на экране устойчи- вое изображение нескольких синусоид. Регулятором усиле- ния по вертикали подбирают подходящую величину ампли- туды. Свободные колебания ка- мертона и резонирующего столба воздуха в ящике через некоторое время затухают Рис. 190. Демонстрация записи колеба- вследствие потери энергии на ний камертона трение и излучение звука. 1S2
Рис. 191. Получение осциллограммы колебаний камертона Тогда камертон возбуждают снова ударом резинового молоточка и продолжают наблюдение. Затем к микрофону подносят поочередно на некоторое время другие источники звука: возбужденную струну, органную трубу с подвижным поршнем, громкоговоритель (динамик), питаемый от звукового генератора. Для каждого источника получают устойчи- вую осциллограмму. Чтобы не затягивать опыта, источники пред- варительно настраивают на одинаковую высоту тона. Наблюдая осциллограммы, учащиеся убеждаются, что каждый источник звука имеет свой график колебания. У камертона и гром- коговорителя, совершающего вынужденные колебания, графики имеют вид синусоиды, следовательно, указанные источники колеб- лются гармонически1. Свободные колебания струны и автоколеба- ния воздуха в органной трубе имеют сложный, негармонический характер. В качестве другого примера сложных колебаний показывают осциллограммы отдельных гласных и шипящих звуков, а также шума. Периодические и близкие к периодическим звуки называют му- зыкальными тонами. Звуки, излучаемые камертоном и громкогово- рителем, дают представление о чистом музыкальном тоне. Далее перед микрофоном стучат деревянными дощечками и наблюдают осциллограммы быстро затухающих колебаний. Ухо воспринимает эти звуки как удары, почти лишенные тонального характера. Опираясь на проделанные опыты, делят звуки на три группы: музыкальные звуки, или тоны, удары и шумы. Далее исследуют характер колебаний звучащих тел. Стальной стержень из полосовой стали, настроенный на тон «ля» (440 гд), укладывают на деревянные подставки с резиновыми 1 Неизбежное отклонение от периодичности у камертона, обусловлен- ное его затуханием, невелико, и его можно не учитывать. 183
Рис. 192. Обнаружение узлов и пуч- ностей у звучащего стержня амортизаторами, как показано на рисунке 192: при этом резиновые амортизаторы помещают под метками, нанесенными на стержне. Резким ударом резинового молоточка возбуждают стержень и дают возможность учащимся послушать издаваемый им звук. За- тем к середине стержня сверху подносят микрофон, соединенный с осциллографом, и получают устойчивую осциллограмму колеба- ний стержня. Вновь возбуждают поперечные колебания в стержне и медленно передвигают вдоль него микрофон на высоте 2—3 см. При этом замечают непрерывное изменение амплитуды колебаний на экране осциллографа. Когда микрофон оказывается на краях и в середине стержня, амплитуда колебаний достигает наибольше- го значения (пучности!), а над резиновыми амортизаторами она равна нулю (узлы!). Опыт показывает, что в возбужденном стержне образуются стоячие волны. Точно таким же способом обнаруживают узлы и пучности стоя- чих волн у звучащего камертона! Камертон для этого опыта берут без резонаторного ящика. Опыт Звукопроводность различных тел 78 Оборудование: 1) насос Комовского с резиновым шлангом, 2) тарелка к вакуум-насосу, 3) колокол стеклянный, 4) звонок электрический демонстрационный, 5) камертон на резонаторном ящике (259 или 440 гц), 6) набор различных стержней (железный, деревянный, резиновый) длиной 15—20 см и диаметром 1—2 см, 7) химический стакан или мензурка цилин- дрическая 500—1000 мл с водой, 8) батарея аккумуляторов с напряжением 4 в, 9) резиновый молоточек, 10) провода соединительные, 11) кусок микро- пористой резины. Вначале показывают хорошо известный опыт с электрическим звонком, помещенным под колокол воздушного насоса (рис. 193). При откачивании воздуха из колокола звук постепенно сла- беет и наконец становится очень тихим. Если снова впустить воз- 184
дух, то громкость звука вос- станавливается. Опыт рас- крывает роль среды в переда- че звука: если между источни- ком и приемником звука уда- лить упругую среду, то звук не сможет распространяться. Для увеличения вырази- тельности этого опыта звонок под колоколом ставят на под- ставку из микропористой ре- зины. Затем демонстрируют раз- Рис. 193. Электрический звонок под колоколом воздушного насоса личную звукопроводность твердых и жидких тел. На крышку резонаторного ящика ставят деревянный стержень, а к верхнему концу его прижимают возбужденный камертон (рис. 194). Звучание камертона резко усиливается. Опыт повторяют с другими телами: железным стержнем и ми- кропористой резиной. В первом случае из резонаторного ящика слышен громкий звук, во втором — звука почти не слышно. Дела- ют вывод: звукопроводность твердых тел различна; мягкие и пори- стые тела — плохие проводники звука. Для демонстрации звукопроводности воды ее наливают в ци- линдрическую мензурку или химический стакан и также ставят на крышку резонаторного ящика. На ножку камертона надевают предварительно корковую или деревянную пробку, диаметр которой на 1—2 см меньше диаметра сосуда. Затем воз- буждают камертон и опуска- ют ножку в воду на глубину 1—2 см (рис. 195). Громкость звука заметно усиливается, что доказывает хорошую зву- копроводность воды и сосуда. В этих опытах можно до- стичь большего эффекта, если воспользоваться электроаку- стической аппаратурой. В та- ком случае собирают уста- новку по рисунку 196. На вход усилителя низкой часто- ты включают с помощью экра- нированных проводов эле- ктромагнитный телефон со Рис. 194. Демон страция звукопро- водности твердого тела Рис. 195. Демон- страция звукопро- водности жидко- сти 185
Рис. 196. Демонстрация звукопроводно- сти твердого тела с применением электро- акустических приборов снятой крышкой, а на выход усилителя — громкоговоритель. Ис- следуемые стержни ставят поочередно на открытую мембрану и также прикасаются к ним сверху ножкой возбужденного камер- тона. Сечение испытуемых стержней должно быть немного меньше площади мембраны, а их длина — 15—20 см для того, чтобы устра- нить непосредственную связь через воздух между источником и приемником звука. Стержни следует поддерживать рукой и лишь слегка прижимать к мембране, иначе ее колебания погасятся. Те- лефон, выполняющий роль микрофона, надо располагать подальше от громкоговорителя, чтобы избежать акустической связи. ОпЫГП Измерение скорости звука в воздухе 79 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) электронный осцил- лограф, 3) усилитель низкой частоты, 4) микрофон, 5) громкоговоритель, 6) метр демонстрационный, 7) провода соединительные. Собирают установку по рисунку 197. К звуковому генератору подключают громкоговоритель и возбуждают его на частоте пример- но 1000 гц. Напряжение с звукового генератора подают также на вход горизонтального усилителя осциллографа, причем собствен- ный генератор развертки осциллографа выключается. На экране получают светлую горизонтальную полоску. С помощью ручки го- ризонтального усилителя длину светлой полоски увеличивают при- близительно до половины диаметра экрана. На расстоянии 1—1,5 м от звучащего громкоговорителя рас- полагают микрофон, соединенный с усилителем низкой частоты. Выход усилителя соединяют с входом вертикального усилителя осциллографа. 186
При одновременном воздействии двух взаимно перпендикуляр- ных синусоидальных напряжений одного и того же периода (от мик- рофона и генератора) электронный луч выписывает на экране ос- циллографа одну из фигур Лиссажу. В зависимости от того, какова разность фаз между слагаемыми колебаниями, фигура может иметь вид прямой линии, эллипса или окружности (см. рис. 142). Если амплитуды колебаний электронного луча по вертикали и горизон- тали неодинаковы, то эллипсы становятся более сплющенными, окружность превращается в эллипс, а наклон прямых к осям из- меняется. Для устранения искажения фигур пользуются соответ- ствующими ручками усилителя осциллографа. . После этого микрофон медленно приближают к громкоговори- телю и наблюдают видоизменения фигур Лиссажу. Когда фигура превратится в прямую линию, наклоненную к горизонтали под углом 45°, движение микрофона прекращают и отмечают его поло- жение. Учащимся поясняют, что в этом случае переменные напря- жения, подаваемые на отклоняющие пластины осциллографа с вы- хода звукового генератора и с микрофонного усилителя, находятся в одинаковой фазе. В свою очередь, это указывает на то, что в про- странстве между громкоговорителем и микрофоном укладывается целое число длин волн. Затем снова продолжают движение микрофона. При этом фаза воспринимаемых микрофоном звуковых волн постепенно меняется; соответственно изменяется и разность фаз электрических колеба- ний, снимаемых с выхода звукового генератора и с микрофонного усилителя. Это приводит к постепенному изменению вида фигуры на экране. Когда фигура вновь превратится в прямую линию, на- клоненную к горизонтальной оси под углом 45°, движение микрофо- на прекращают. Измеряют демонстрационным метром расстояние перемещения микрофона, которое равно длине звуковой волны. Умножая найденную величину на частоту звука, отсчитанную по шкале звукового генератора, получают скорость звука в воздухе при комнатной температуре. Она оказывается равной примерно 340 м/сек. Для повышения точности измерения микрофон следует пере- двигать на возможно большее расстояние, чтобы фигуры на экране 187
повторялись несколько раз. Если по каким-либо причинам увели- чить перемещение микрофона невозможно, то следует увеличить частоту звука, причем для ускорения расчетов новую частоту лучше взять кратной первоначальной. Во всех случаях от- счет числа поворотов фигуры на экране начинают и заканчивают с момента, когда она имеет вид прямой линии, так как этот момент отмечается довольно точно. Очевидно, опыт можно поставить и так: изменять только часто- ту звука, а расстояние между громкоговорителем и микрофоном оставлять неизменным. В этом случае микрофон располагают на таком расстоянии от громкоговорителя, чтобы фигура на экране осциллографа превратилась в прямую линию, наклоненную под углом 45° к горизонтали. Затем медленно увеличивают или умень- шают частоту звукового генератора. При этом вид фигуры на экра- не осциллографа изменяется так же, как и в случае передвижения микрофона. Изменение частоты прекращают в тот момент, ког- да фигура повернется один раз и примет свой первоначальный вид, т. е. прямую линию. Теперь в пространстве между громкого- ворителем и микрофоном снова укладывается целое число звуко- вых волн. Скорость звука будет равна произведению разности частот зву- кового генератора на расстояние между громкоговорителем и мик- рофоном. Расстояние измеряют с помощью демонстрационного метра, а частоту отсчитывают по шкале звукового генератора. Опыт Зависимость высоты тона звука от частоты колебаний и скорости 80 движения источника Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) электронный осцил- лограф, 3) громкоговоритель, 4) телефон, 5) электропроигрыватель с усили- телем низкой частоты, 6) граммофонная пластинка, 7) провода соединительные. Связь высоты тона звука с частотой колебаний можно проде- монстрировать с помощью зубчатой или дисковой сирены (рис. 187). Однако более выразительно это можно показать с помощью звуко- вого генератора и электронного осциллографа. Собирают установку по рисунку 198. К выходным зажимам звукового генератора (5 ом) подключают звуковую катушку дина- мика, а параллельно ей— вход вертикального усилителя элект- ронного осциллографа. Заставляют негромко звучать динамик на частоте 300—500 гц и настраивают осциллограф так, чтобы на его экране получилось устойчивое и хорошо видимое изображе- ние нескольких синусоид при частоте горизонтальной развертки 30—50 гц. Затем, повертывая ручку звукового генератора, медленно из- меняют частоту звучания динамика, начиная от низких частот л 188
(20 гц) и кончая самыми высокими (20 000 гц). По мере повышения частоты учащиеся слышат повышение тона звука. Одновременно они видят на экране осциллографа увеличение числа синусоид без изменения величины их амплитуды. При высоких частотах число синусоид увеличивается настоль- ко, что рассмотреть каждую из них становится трудно: издали они сливаются в светящийся четырехугольник. Несмотря на это, часто- ту развертки оставляют все время постоянной. Такая постановка опыта наглядно убеждает учащихся в том, что высота тона характе- ризуется частотой колебаний звучащего тела. Чем больше частота колебаний, тем выше тон звука. При демонстрации этого опыта следует иметь в виду, что устой- чивое изображение на экране осциллографа наблюдается только в тех случаях, когда частота подводимых к нему электрических ко- лебаний кратна частоте генератора горизонтальной развертки. Во всех остальных случаях изображение смещается то вправо, то влево. Чтобы устранить это неудобство, частоту звукового генератора следует изменять не плавно, а небольшими скачками, задерживая внимание учащихся лишь на тех моментах, когда изображение на экране остается неподвижным. После этого на опыте определяют граничные частоты слуха. Для этого снова проходят весь диапазон звукового генератора и просят учащихся заметить для себя момент появления, а затем момент исчезновения звука. Около границ слухового диапазона частоту звукового генератора изменяют медленно, а ее числовые значения каждый раз сообщают учащимся. Очень низкие и очень высокие частоты учащиеся не слышат. Они только видят синусо- идальные кривые на экране осциллографа, подтверждающие работу генератора. Таким образом устанавливают, что ухо человека реа- гирует на механические колебания в широком интервале частот — примерно от 20 до 20 000 гц, причем границы этого интервала у разных учащихся различны. При этом следует иметь в виду, 189
Рис. 199. Демонстрация эффекта Допплера стоте примерно 1000 гц. В тс что интервал слышимых частот за- висит также от силы звука, кото- рая применяется в опыте. Далее полезно показать очень наглядный опыт с граммофонной пластинкой, проигрывая ее с раз- личной скоростью вращения. При увеличении скорости высота тона всех воспроизводимых звуков бу- дет повышаться, а при уменьше- нии — понижаться. Наконец, де- монстрируют зависимость высоты тона от скорости движения источ- ника звука. К звуковому генератору с по- мощью длинных и гибких проводов подключают электромагнитный те- лефон и возбуждают его на ча- ение 15—20 сек дают возможность учащимся прислушаться к звучанию покоящегося телефона. Пос- ле этого его приводят во вращение от руки в вертикальной плос- кости с частотой 1—2 оборота в секунду (рис. 199). Радиус вра- щения берут 50—60 см, а плоскость вращения — перпендикуляр- ной рядам учащихся: в этом случае телефон то приближается, то удаляется от учащихся. При вращении телефона учащиеся отмечают периодическое из- менение высоты тона звука: при движении телефона в сторону уча- щихся высота тона повышается, а при движении в обратную сторо- ну — понижается. Изменение высоты тона при движении источника звука или наблюдателя называют эффектом Допплера. U ПЫ т Сила (интенсивность) и громкость зв^ка 81 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) электронный осцил- лограф, 3) усилитель низкой частоты, 4) микрофон, 5) громкоговоритель, 6) гальванометр демонстрационный от амперметра, 7) камертон без резонатор- ного ящика, 8) резиновый молоточек, 9) провода соединительные. Сила, или интенсивность, звука характеризуется, как известно, величиной энергии, проходящей за 1 сек через площадку в 1 см2, поставленную перпендикулярно направлению распространения зву- ковых волн. На опыте обычно измеряется не величина энергии, а одна из величин, связанная с силой звука: скорость колебания ча- 190
стиц среды, или звуковое давление волн. В школьных условиях проще показать принцип измерения второй величины. Звуковое давление можно измерить с помощью микрофона, в цепь которого включен измерительный прибор. Метод основан на прямой зависимости электродвижущей силы, возникающей в мик- рофонной цепи, от величины давления звуковых волн, падающих на мембрану микрофона. Для демонстрации опыта собирают установку по рисунку 200. Электродинамический микрофон включают на вход усилителя низкой частоты, а выход усилителя соединяют с демонстрационным гальванометром, включенным для измерения переменного тока. Перед микрофоном располагают громкоговоритель, включенный на выход звукового генератора. При этом гальванометр обнаружи- вает ток, величина которого зависит от интенсивности звучания громкоговорителя и расстояния его до микрофона. Обе зависимо- сти поочередно показывают учащимся. Отмечают, что шкалу галь- ванометра можно проградуировать в единицах силы звука и полу- чить, таким образом, измерительный прибор. Затем показывают за- висимость силы звука от амплитуды колебания звучащего тела. Для этого в прежней установке производят небольшие изменения — параллельно звуковой катушке динамика включают вход верти- кального усилителя электронного осциллографа (рис. 201). После этого возбуждают громкоговоритель на частоте 1000—2000 гц и добиваются устойчивого изображения на экране осциллографа. Размер изображения по вертикали выбирают вначале примерно 2 см, а начальный ток гальванометра — 2 деления шкалы 0—10. Затем, пользуясь регулятором выхода звукового генератора, уве- личивают амплитуду синусоиды на экране осциллографа в 2, а за- тем в 3 раза. При этом ток гальванометра возрастает соответствен- но в 4 и в 9 раз. Из опыта делают вывод; сила звука прямо пропор- циональна квадрату амплитуды колебаний источника звука. Наконец, демонстрируют зависимость силы звука от площа- ди излучаемой поверхности. Это проще всего показать с помо- щью камертона. Звучащий камертон держат в руке. Учащиеся слышат слабый звук. Затем камертон быстро ставят на крышку Рис. 200. Установка для демонстрации принципа измерения силы звука 1Ш
Рис. 201. Установка для демонстрации зависимости силы звука от ампли- туды колебания звучащего тела стола. Звук заметно усиливается, при этом время звучания сок- ращается. Кроме объективной оценки силы звука по величине давления звуковых волн или амплитуде колебаний звучащего тела, сущест- вует еще субъективная оценка — громкость. Необходимо показать, что сила звука и громкость — понятия неравнозначные. Громкость звука, как это следует из только что проделанных опытов, зависит от силы звука. Чем больше сила звука, тем он кажется громче, но связь этих двух величин сложная, и установить ее характер на опыте в школе трудно. Можно только сообщить, что громкость звука пропорциональна не силе звука, а ее логарифму. Громкость звука зависит также от частоты колебаний источни- ка звука. Для демонстрации этой зависимости собирают установку по рисунку 198 и повторяют первую часть предыдущего опыта. Но теперь внимание учащихся обращают не на высоту тона, а на изменение громкости звука. При этом сила звука должна все время оставаться постоянной (последнюю контролируют по амплитуде колебаний на экране осциллографа). Опыт показывает, что звуки одинаковой силы, но различной частоты ощущаются с различной громкостью. С возрастанием ча- стоты громкость звука вначале постепенно увеличивается, а затем, по мере приближения к частоте 20 000 гц, быстро уменьшается до нуля. Звуки, лежащие в интервале 1000—3000 гц, воспринимаются с наибольшей громкостью. Сообщают, что частота 1000 гц в звуко- вых измерениях принимается за основную, относительно которой оценивается громкость других звуков. При постановке описанных опытов желательно брать динамик малых размеров, так как он хорошо воспроизводит высокие часто- ты. Это позволяет ярче показать незначительное изменение гром- кости высоких частот при изменении силы звука. Заменять дина- мик телефонной трубкой нельзя: к. п. д. последней сильно зависит от частоты, так как сопротивление телефона носит главным обра- зом индуктивный характер. 192
Если в последнем опыте напряжение звуковой частоты подавать на осциллограф не непосредственно с звукового генератора, а через микрофон, включенный на вход вертикального усилителя осцилло- графа, то можно сравнить объективно спектральную чувствитель- ность уха и микрофона. Опыт Анализ звуковых колебаний. Тембр звука 82 Оборудование: 1) электронный осциллограф, 2) усилитель низ- кой частоты, 3) микрофон, 4) громкоговоритель, 5) камертон без резонатор- ного ящика, 6) монохорд, 7) резиновый молоточек, 8) провода экраниро- ванные. На вход усилителя низкой частоты включают электродинами- ческий микрофон; напряжение, снимаемое с микрофона, подают также с помощью экранированных проводов на вход вертикального усилителя осциллографа (рис. 202). К микрофону подносят звучащий камертон и, пользуясь соот- ветствующими ручками осциллографа, получают устойчивую ос- циллограмму синусоидальных колебаний при частоте развертки 50—100 гц. Учащихся просят внимательно прислушаться к звуку камерто- на, который возбуждают резиновым молоточком, ударяя вначале по концу ветви, а затем по ее середине. При втором способе воз- буждения учащиеся слышат немного измененный звук, так как к основному тону примешивается звук первого обертона. Одно- временно учащиеся видят на экране осциллограммы звуков. Во втором случае на синусоидальную кривую накладываются коле- бания более высокой частоты. Через некоторое время высокоча- стотные колебания исчезают и осциллограмма принимает вид си- нусоиды. Рис. 202. Демонстрация тембра звука 7 Заказ 480 193
Далее предлагают учащимся сравнить звук камертона и звук струны, предварительно настроенных в унисон. Для этого оба ис- точника поочередно подносят на некоторое время к микрофону. Можно при этом и громкость звука сделать одинаковой. Тем не менее оба звука производят различное впечатление. Это указывает на то, что музыкальные тоны, имеющие одну и ту же высоту и гром- кость, различаются друг от друга на слух еще специфическим от- тенком, который называют тембром звука. Чтобы выяснить, от чего зависит тембр звука, обращают вни- мание на осциллограммы обоих колебаний. Они сильно различа- ются по своей форме, а следовательно, и своим гармоническим составом. Для выявления обертонов звучащей струны к ее середине на мгновение прикасаются концом птичьего перышка или краем ку- сочка легкой материи. Основной тон струны, для которого в середи- не была пучность, заглушается, и учащиеся ясно слышат звук на октаву выше основного тона, т. е. первый обертон. При этом, как показывает осциллограмма, частота колебаний струны увеличи- вается в два раза. „ „ 11 Затем прикасаются к звучащей струне на расстоянии— и т. д. части струны и демонстрируют обертоны более высокого порядка. Опыт убеждает учащихся, что звучащая струна, кроме основно- го тона, излучает еще и обертоны, частота которых в целое число раз больше частоты основного тона, а амплитуда меньше. Эти обер- тоны, примешиваясь к основному тону, и создают специфический оттенок звука струны. Опыт позволяет сделать еще очень важное заключение: любой сложный звук может быть представлен суммой гармонических колебаний с кратными частотами, имеющими соответствующие ам- плитуды и фазы. Далее полезно показать зависимость тембра звука струны от места ее возбуждения. Дергают струну за середину, возбуждая ос- новной тон и четные обертоны. Нечетные обертоны при этом возни- кнуть не могут, так как их узлы должны лежать посередине струны. Тембр звука получается глуховатый. Затем дергают струну вблизи ее концов, усиливая высшие обертоны. Звук получается звенящий. При этом обращают внимание учащихся на те изменения, которые произошли с осциллограммой. В последнем случае она заметно усложнилась вследствие увеличения амплитуд колебаний высших гармонических тонов. Проделанные опыты позволяют сделать вывод: тембр звука за- висит в основном от числа, высоты и громкости обертонов, сопро- вождающих основной тон. Дополнительно можно сообщить, что фазы обертонов ухом не воспринимаются и потому не оказывают влияния на тембр звука, хотя они могут очень сильно менять фор- му результирующего колебания. 194
ОпЫГП Бинауральный эффект 83 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) громкоговорители — 2 шт., 3) рубильники — 2 шт., 4) провода соединительные. Два одинаковых громкоговорителя располагают на концах де- монстрационного стола и соединяют параллельно со звуковым ге- нератором (рис. 203). В цепь каждого громкоговорителя включают рубильники, которые располагают за звуковым генератором так, чтобы учащиеся их не видели. Учащимся предлагают закрыть одно ухо рукой и, не поверты- вая головы, определить, какой из двух громкоговорителей звучит. В направлении звучащего громкоговорителя па столе положить карандаш. Чтобы лучше «замаскировать» звучащий громкоговоритель, по- ступают следующим образом. Вначале включают оба громкогово- рителя, а затем один из них выключают. При этом обнаруживают у многих учащихся ошибку: они выключенный громкоговоритель принимают за звучащий. Повторяют опыт, но теперь учащимся предлагают отыскать звучащий громкоговоритель, слушая по-прежнему одним ухом и слегка повертывая голову. Ошибочных суждений становится мень- ше. Наконец, учащиеся выполняют то же задание, по теперь нм разрешают слушать обоими ушами и повертывать голову. В по- следнем случае ошибок почти не возникает. Проделанные опыты раскрывают важное свойство нашего орга- на слуха — способность ощущать сдвиг фаз приходящих звуковых колебаний. Именно благодаря этому свойству мы правильно определяем направление на источник звука. Это явление называют бинаураль- ным (двуушным) эффектом. Он играет большую роль не толь- ко в нашей повседневной жизни, но и используется специально для звукопслепгации. Рис. 203. Демонстрация бинаурального эффекта 7# 195
U ПЫ ГП Звуковой резонанс 84 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) громкоговоритель, 3) телефон, 4) камертоны на резонаторных ящиках, 5) стеклянный цилиндр на 1000 сл3, 6) шарик стальной на нити, 7) штатив универсальный, 8) молото- чек резиновый. Два одинаковых камертона на резонаторных ящиках распола- гают на расстоянии 20—30 см так, чтобы отверстия ящиков были обращены друг к другу. Ударом резинового молоточка возбуж- дают один из камертонов и через 3—5 сек рукой гасят колебания. Учащиеся слышат звук, который издает второй камертон, возбудив- шись вследствие резонанса. Расстраивают камертоны, надев на ветвь одного из них резино- вое колечко. Повторяют опыт и убеждаются в отсутствии звучания второго камертона. Выразительность опыта значительно увеличивается, если один из камертонов заменить громкоговорителем, возбуждаемым от зву- кового генератора. Громкоговоритель располагают около откры- того конца резонаторного ящика на расстоянии 10—15 см. К ка- мертону приближают маленький стальной шарик, подвешенный на нити длиной 40—50 см (рис. 204). Ручку регулятора выхода зву- кового генератора ставят на максимум и плавно изменяют высоту тона. Когда частота звука от громкоговорителя будет близка к соб- ственной частоте колебаний камертона, возникает явление резонан- са. Его обнаруживают по резкому усилению громкости звука, по отскакиванию стального шарика от ветви камертона или по звуча- нию камертона, если выключить громкоговоритель. Рис. 204. Возбуждение камертона гром- коговорителем 196
Далее демонстрируют ре- Рис. 205. Возбуждение зонанс воздушного столба, воздушного столба теле' заключенного в стеклянном цилиндре. К открытому кон- цу цилиндра подносят теле- фон, возбужденный звуковым генератором (рис. 205). Плав- но увеличивая частоту гене- ратора, наблюдают много- кратное усиление звука фоном > ® кратное усиление звука. -н Таким образом, используя I явление резонанса, на опыте устанавливают наличие у воз- душного столба основного то- на и обертонов, частота ко- торых в целое число раз больше частоты основного тона. Последний опыт можно демонстрировать иначе. Телефон воз- буждают на частоте 1500—2000 гц и в горизонтальном положении медленно опускают, а затем поднимают из стеклянного цилиндра. Учащиеся слышат то усиление, то ослабление звука. Повторяют опыт при другом тоне звука и замечают, что с увели- чением частоты число максимумов звука возрастает. Обращают внимание учащихся на возможность измерения длины звуковой волны, а также собственной частоты колебаний тела методом резо- нанса. Опыт Интерференция звуковых волн 85 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) громкоговорители — 2 шт., 3) усилитель низкой частоты, 4) микрофон, 5) гальванометр демонстраци- онный от амперметра, 6) метр демонстрационный, 7) провода соединительные. Два одинаковых громкоговорителя устанавливают на расстоя- нии 1—1,5 м от микрофона, соединенного с демонстрационным гальванометром через усилитель низкой частоты (рис. 206). К зву- ковому генератору подключают первый громкоговоритель и воз- буждают его на частоте 1000 гц. Гальванометр обнаруживает ток. Пользуясь регулятором усилителя низкой частоты, подбирают вы- ходной ток такой величины, чтобы стрелка гальванометра откло- нилась примерно до половины шкалы 0—10. Затем выключают первый громкоговоритель и включают вто- рой. Гальванометр должен показать ток прежней величины. После этого включают параллельно оба громкоговорителя и наблюдают увеличение тока примерно в два раза. Если при двух громкогово- рителях ток уменьшается, то следует поменять концы проводов у 197
Рис. 206. Установка для демонстрации интерференции звуковых волн одного из громкоговорителей, чтобы их диффузоры колебались в одинаковых фазах. Обратив внимание учащихся на когерент- ность источников звука, приступают к демонстрации опыта. Один из громкоговорителей медленно приближают к микрофону и наблюдают периодическое изменение величины тока. Когда рас- стояние между громкоговорителями (оно равно разности хода волн) будет равно нечетному числу полуволн, ток в цепи микрофона уменьшается до нуля. Когда же разность хода волн становится рав- ной четному числу полуволн, ток достигает наибольшей величины; обе волны в этом случае достигают микрофона в одинаковых фазах и при сложении усиливают друг друга. При частоте звука 1000 гц максимумы и минимумы тока чередуются примерно через 17 см, т. е. через половину длины волны звука в воздухе. Расстояние между громкоговорителями измеряют для каждого случая с помощью демонстрационного метра. Зная это расстояние и частоту звука, можно определить скорость звука в воздухе, на что обращают внимание учащихся. Интерференцию звуковых волн можно демонстрировать на слух. Громкоговорители повертывают в сторону класса и один из них медленно передвигают поперек демонстрационного стола, то при- ближая, то удаляя от аудитории. При этом учащиеся слышат (луч- ше одним ухом, закрыв второе рукой) то усиление, то ослабление громкости звука. Можно оба громкоговорителя оставить непод- вижными, а учащимся предложить медленно наклоняться то вправо, то влево, закрыв одно ухо рукой. При движении они об- наруживают зоны усиления и ослабления звука. Полезно повто- рить опыт с одним звучащим громкоговорителем, чтобы учащиеся убедились в отсутствии интерференционных зон. Лучший эффект получается с простыми звуками небольшой мощности. При большой мощности могут возникнуть звуки от до- полнительных колебаний диффузоров громкоговорителей, что при- ведет к образованию лишних максимумов и минимумов звука. К то- му же интерференционная картина может осложниться и за счет наложения звукового поля стоячих волн. Наивыгоднейшая частота подбирается опытным путем в диапазоне от 1000 до 3500 гц. 198
ОпЫГП Биения звуковых колебаний 86 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) электронный осцил- лограф, 3) громкоговоритель, 4) микрофон, 5) камертоны на резонаторных ящиках (и = 259 или 440 гц) 2 шт., 6) молоточек резиновый, 7) колечко резиновое. Два одинаковых камертона на резонаторных ящиках распола- гают на столе так, чтобы расстояние между ними было 20—30 см, а отверстия ящиков были обращены в сторону учащихся (рис. 207). Расстраивают унисон камертонов, надевая на ветвь одного из них резиновое колечко. Возбуждают оба камертона ударом резинового молоточка. Учащиеся отчетливо слышат периодические усиления и ослабления звука — биения. Частота их равна разности частот камертонов. Передвигая колечко вверх, увеличивают частоту бие- ний, вниз — уменьшают. Вследствие малого затухания камерто- нов биения обнаруживаются даже при весьма малой разнице в частоте колебаний. Выразительность опыта значительно увеличивается, если вос- пользоваться осциллографом ЭО-7. Один из камертонов заменяют громкоговорителем, питаемым от звукового генератора, а рядом с ним ставят микрофон, подключенный к осциллографу (рис. 208). Предварительно громкоговоритель и камертон настраивают на одинаковую высоту тона. Частоту горизонтальной развертки осцил- лографа берут около 5 гц. Опыт начинают с демонстрации звучания каждого источника в отдельности и наблюдения их осциллограммы. Затем снова воз- буждают камертон и медленно увеличивают частоту звучания гром- коговорителя. Учащиеся отчетливо слышат периодическое измене- ние громкости звука. Одновременно на экране осциллографа они видят график биения амплитуды слагаемых колебаний. Продол- жая увеличивать частоту звуково- го генератора, демонстрируют биения разной частоты. Когда ча- стота биений приближается к 30 гц, то уловить их ухом становится трудно, однако наличие биений обнаруживается по диссонансу издаваемых звуков и по их осцил- лограмме. После этого опыт демонстриру- ют в обратном порядке: умень- шают частоту генератора, проходя через биения различных частот. Показывают биения и в том случае, Рис. 207. Камертоны для демон- страции биений звука 199
Рис. 208. Осциллографирование биений звука когда частота звука, излучаемого громкоговорителем, меньше частоты колебаний камертона. Обращают внимание на возможность определения неизвестной частоты источника звука с помощью биений. В качестве примера измеряют частоту колебаний камертона, отсчитывая ее по шкале звукового генератора в момент, когда оба источника настроены в унисон. Во время опыта камертон периодически возбуждают ударом резинового молоточка. Затухание камертона можно значительно уменьшить, если громкоговоритель приблизить к отверстию резо- наторного ящика. При этом следует избегать так называемого аку- стического захватывания, при котором исчезают биения, и оба источника начинают звучать в унисон на частоте более мощного источника звука. Опыт Отражение звуковых волн 87 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) усилитель низкой частоты, 3) громкоговоритель, 4) телефон, 5) микрофон, 6) гальванометр де- монстрационный от амперметра, 7) экран из фанеры размером 30 X 50 см, 8) зеркало вогнутое на подставке (зеркало Пикте), 9) провода соединительные. На вход усилителя низкой частоты включают микрофон, а на выход — демонстрационный гальванометр для измерения перемен- ного тока (рис. 209). Выход звукового генератора (5 ом) соединяют с громкоговорителем. Микрофон и громкоговоритель располагают друг от друга на расстоянии 1 м и развертывают так, чтобы оси их пересекались у края демонстрационного стола. Возбуждают громкоговоритель на частоте 1000—2000 гц и убеждаются в отсутствии приема звука микрофоном. Если гальва- нометр обнаруживает слабый ток, то микрофон немного переме- 200
Рис. 209. Отражение звуковых волн от плоского экрана щают на столе, добиваясь исчезновения тока (помещают в узел дав- ления образовавшейся в классе стоячей волны). На краю стола ставят плоский экран и медленно поверты- вают его вокруг вертикальной оси. При некотором положении эк- рана отраженные волны попадают в микрофон и гальванометр об- наруживает ток. В момент наибольшего тока положение экрана фиксируют и отмечают равенство углов падения и отражения зву- ковых волн. Опыт повторяют при частоте 5000—6000 гц и убеж- даются, что с повышением частоты направленность отражения зву- ка возрастает: даже незначительный поворот экрана приводит к резкому изменению величины тока. Затем экран покрывают какой-либо мягкой тканью и убеждают- ся, что отражение звука заметно ухудшается; два слоя ткани еще больше поглощают звук. Поглощение возрастает также с увеличе- нием частоты звука. После этого демонстрируют отражение звука от вогнутого зер- кала. На расстоянии 1—1,5 м от громкоговорителя, возбужденного на частоте 4000—5000 гц, располагают вогнутое зеркало, а между ними — микрофон, обращенный к зеркалу (рис. 210). Наблюдают Рис. 210. Установка для демонстрации отражения звуковых волн от вог- нутого зеркала 201
слабый прием звука при средней громкости звуча- ния громкоговорителя. Медленно передвигают микрофон к зеркалу и наб- людают постепенное увели- чение тока в цепи гальва- нометра. Когда микрофон окажется в фокусе зеркала, ток достигает максималь- ного значения. При даль- нейшем перемещении мик- рофона ток снова убывает. Опыт доказывает, что звуковые вол- ны, отражаясь от вогнутой поверхности зеркала, собираются в его фокусе. В этом опыте следует учесть, что микрофон при движении мо- жет попасть в пучность образовавшейся стоячей волны, где интен- сивность звука так же, как и в фокусе, повышена. Чтобы не сме- шивать фокус зеркала с пучностью стоячей волны, надо обратить внимание на величину интенсивности звука: в пучности она замет- но меньше, чем в фокусе. В заключение демонстрируют направленное излучение звука. В фокусе зеркала укрепляют телефон и возбуждают его от звуко- вого генератора на частоте 3000—5000 гц (рис. 211). Затем поверты- вают зеркало вокруг вертикальной оси, облучая звуковым прожек- тором учащихся. Опыт Стоячие звуковые волны 88 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) усилитель низкой частоты, 3) громкоговоритель, 4) микрофон, 5) гальванометр демонстрацион- ный от амперметра, 6) экран плоский размером 30 X 50 см, 7) метр демон- страционный, 8) провода соединительные. Перед громкоговорителем на расстоянии 1—1,5 м устанавли- вают плоский экран из фанеры, а между ними — микрофон, соеди- ненный через усилитель низкой частоты с демонстрационным галь- ванометром (рис. 212). Громкоговоритель подключают к звуковому генератору и слабо возбуждают его па частоте 1000 гц. Звуковые волны, дойдя до экрана, отражаются, и в результате интерференции прямой и обрат- ной волны образуются стоячие волны. Для выявления узлов и пуч- ностей медленно перемещают микрофон от громкоговорителя к экрану или в обратном направлении. Учащиеся наблюдают за показаниями гальванометра и отмечают периодическое изменение величины тока. 202
Рис. 212. Обнаружение стоячих звуковых волн в воздухе Когда микрофон попадает в пучность волны, гальванометр по- казывает малый ток; когда же микрофон оказывается в узле — ве- личина тока резко возрастает (в узле колебания звукового давле- ния больше). При частоте звука 1000 гц узлы и пучности чередуются примерно через 8—9 см. Измеряют расстояние между двумя соседними узлами или пуч- ностями с помощью демонстрационного метра. Зная длину стоячей волны и частоту колебаний, вычисляют скорость звука в воздухе и сравнивают ее с результатами, полученными в предыдущих опытах (см. опыты 79 и 85). Опыт полезно повторить при частоте 2000 гц. В этом случае длина стоячей волны будет в два раза меньше. Далее демонстрируют образование стоячих волн во всей ауди- тории. Громкоговоритель повертывают в сторону класса и сильно возбуждают его на частоте 2000—3000 гц. Затем медленно переме- щают микрофон над демонстрационным столом. Стрелка гальвано- метра совершает периодические колебания, отмечая узлы и пучно- сти стоячих волн. Образовавшиеся в аудитории стоячие волны можно обнаружить на слух. Учащимся предлагают закрыть одно ухо рукой и медлен- но наклоняться то вправо, то влево. Узлы и пучности легко обна- руживаются по изменению громкости звука. Такой же результат получается, если учащиеся сидят неподвижно, а перемещается на столе только громкоговоритель. Опыт Дифракция звуковых волн 89 Оборудование: 1) звуковой генератор, 2) усилитель низкой частоты, 3) громкоговоритель, 4) микрофон, 5) гальванометр демонстрацион- ный от амперметра, 6) экраны из фанеры размером 30 X 50 см — 2 шт., 7) ящик из картона или фанеры без крышки размером 14 X 14 X 10 см. 203
Рис. 213. Дифракция звуковых волн на экране 215. Ослабление дифракции у громкоговорителя экранами
Рис. 216. Демонстрация назначения ящика у громкоговорителя 1. Между громкоговорителем и микрофоном, находящимися ia расстоянии 50—80 см друг от друга, устанавливают экран рис. 213). Громкоговоритель подключают к звуковому генератору, 1 микрофон — через усилитель низкой частоты к демонстрацион- юму гальванометру. Возбуждают громкоговоритель на частоте 200—300 гц и отме- 1ают появление тока в микрофонной цепи, что свидетельствует о загибании» звуковых волн за края экрана. Увеличивают частоту звука до 5000—6000 гц и наблюдают >езкое ослабление приема звука. Медленно перемещают микрофон ;а экраном и обнаруживают звуковую тень. Заменяют широкий экран узким, например книгой, и убежда- ется в отсутствии звуковой тени. 2. Возбуждают громкоговоритель на частоте 5000—6000 гц I пододвигают к микрофону на расстояние 40—50 см. Около микро- |юна ставят два одинаковых экрана так, чтобы между ними обра- ювалась щель шириной 2—3 см (рис. 214). Медленно перемещают гикрофон вокруг щели и обнаруживают дифракционное загибание Жуковых волн в область геометрической тени. 3. Возбуждают громкоговоритель на частоте 300—400 гц; за- гечают громкость звучания и величину тока в микрофонной цепи. 1атем приставляют к громкоговорителю с двух сторон экраны, сак показано на рисунке 215. Громкость звука и величина тока аметно возрастают вследствие того, что экраны уменьшают воз- южность встречи волнам противоположных фаз, возникающим у >беих сторон диффузора громкоговорителя. Не меняя установки, возбуждают громкоговоритель на частоте 50—200 гц. Теперь длина волны становится больше размера эк- шнов. Громкость звука и величина тока уменьшаются вследствие щфракции. Убирают экраны — звук становится еще тише. Это [вление называют акустическим коротким замыканием. На основании проделанных опытов делают вывод: громкогово- штель лучше излучает высокие частоты, чем низкие, так как для данных волн выравнивание давления около диффузора вследствие щфракции сказывается сильнее. 205
Опыт раскрывает назначение ящиков у радиоприемников, маг- нитофонов и радиол как средства борьбы с дифракцией звука. 4. Можно подчеркнуть последний вывод следующим опытом. Микрофон располагают на расстоянии 15—20 см сбоку громкогово- рителя, возбужденного на частоте 500—800 гц. Замечают началь- ную громкость звука и величину тока в гальванометре. Затем зад- нюю сторону диффузора закрывают картонным ящиком (рис. 216). Громкость звука и величина тока в микрофонной цепи резко уве- личиваются. Удаляют ящик — громкость звука и величина тока уменьшаются вследствие интерференции волн, излучаемых проти- воположными сторонами диффузора. После этого громкоговоритель возбуждают на частоте 4000— 6000 гц и обнаруживают обратный эффект: при открытом диффузо- ре громкость звука увеличивается, а при закрытом — уменьшает- ся. Явление объясняют тем, что при высокой частоте уменьшается дифракция и акустическое короткое замыкание звуковых волн. Кроме того, при открытом диффузоре звук излучается двумя про- тивоположными поверхностями, а при закрытом — лишь одной. U ПЫ ГП Запись и воспроизведение звука 90 Оборудование: 1) комплект приборов для магнитной звуко- записи, 2) динамический микрофон, 3) усилитель низкой частоты, 4) гром- коговоритель, 5) сердечник от универсального трансформатора с полюсными наконечниками и катушкой на 220 в, 6) гальванометр демонстрационный, 7) батарея аккумуляторов напряжением 4 в, 8) рубильник, 9) постоянный магнит, 10) петля из магнитофонной ленты длиной 1 —1,5 м, 11) слесарная линейка длиной 40—50 см, 12) провода экранированные, 13) штатив уни- версальный. В настоящее время известны три способа записи звука: механи- ческий, оптический и магнитный. Последний из них легко осущест- вить в школе. Для этого применяется комплект из трех простых приборов, показанных на рисунке 2171. Лентопротяжный механизм 1 смонтирован на гетинаксовой панели размером 80 X 100 мм. Он представляет собой барабан диаметром 60 мм и толщиной 18 мм. насаженный на ось синхрон- ного электродвигателя. Мощность электродвигателя 12 вт, пи- тается он от сети переменного тока с напряжением 220 в, делает 60 об/мин и обеспечивает равномерное движение магнитофонной ленты со скоростью 19 см/сек Это соответствует скорости движения ленты в обычном магнитофоне. 1 Л. И. Анциферов, Учебное оборудование для записи и воспро- изведения звука, «Физика в школе», 1964, № 6. 206
Рис. 218. Магнитная запись электрических импульсов на стальной линейке 207
На лицевой стороне панели расположены тянущий барабан и зажимы электродвигателя, а на обратной стороне — электродви- гатель и металлический стержень для крепления панели в муфте штатива. На второй панели 2 размером 80 X 70 мм смонтированы уни- версальная магнитная головка (от магнитофона «Эльфа-10»), два направляющих металлических ролика и выходные зажимы. Панель имеет короткий стержень для крепления в муфте штатива. Натяжной ролик 3 удерживается в металлической скобе и мо- жет свободно вращаться вокруг своей оси. К скобе припаяна упру- гая пластинка, обеспечивающая равномерное натяжение ленты. Вначале рекомендуется показать простой опыт, раскрывающий принцип действия магнитной головки. Для этого собирают установку по рисунку 218. На железный сердечник от универсального трансформатора надевают катушку на 220 в, а на верхние концы сердечника кладут полюсные наконечники так, чтобы между ними образовался воздуш- ный зазор толщиной 10—15 мм. Катушку соединяют через рубиль- ник с батареей аккумуляторов напряжением около 4 в. На полюсные наконечники кладут слесарную линейку и пояс- няют учащимся, что в собранной установке электромагнит моде- лирует магнитную головку, а стальная линейка — ферромаг- нитную лепту. Затем линейке сообщают от руки равномерное дви- жение и, пока она проходит над полюсными наконечниками, два- три раза замыкают электрическую цепь. В эти моменты линейка сильно намагничивается. Чтобы обнаружить записанные на лииейке электрические им- пульсы, отключают катушку от аккумулятора и соединяют ее с демонстрационным гальванометром. Вновь протягивают линейку над полюсными наконечниками и наблюдают импульсы тока в цепи гальванометра. После этого приступают к демонстрации записи и воспроизведе- ния звука. Собирают установку по рисунку 219. Внизу стойки уни- версального штатива укрепляют панель с лентопротяжным меха- низмом, примерно в середине — панель с магнитной головкой и на верхнем конце — натяжной ролик. Заправляют ферромаг- нитную ленту. При этом следят за тем, чтобы лента прижималась к головке рабочим слоем (матовой поверхностью), не имела пере- коса и была слегка натянута. Для записи звука магнитную головку подключают экрани- рованными проводами к выходу усилителя низкой частоты, на вход усилителя включают динамический микрофон и приводят ленту в движение. Микрофсн устанавливают возможно дальше от установки. Необходимый уровень записи подбирают поворотом ручки регу- лятора громкости усилителя и изменением расстояния между дик- тором и микрофоном. Запись продолжают в течение одного оборо- та ферромагнитной ленты. 208
Учащимся кратко поясняют происходящие явления. Перемен- ное электрическое напряжение, возникающее в микрофоне, усили- вается усилителем низкой частоты и подается в обмотку магнит- ной головки, в результате чего в зазоре ее сердечника возникает переменное магнитное поле звуковой частоты. Это поле намагни- чивает движущуюся ленту в соответствии с величиной напряжения на входе усилителя. Таким образом, на ленте остается звуковой след в форме переменной намагниченности. Для воспроизведения звука магнитную головку подклю- чают на вход усилителя низкой частоты, а к выходу — громкогово- ритель (рис. 220). Теперь намагниченная лента, проходя мимо зазора головки, создает в ее обмотке переменную электродвижущую силу, меняю- щуюся в соответствии с записанным звуком. После усиления звук воспроизводится громкоговорителем. Стирают запись с помощью постоянного магнита, который при- кладывают к движущейся ленте одним полюсом. С механическим способом записи звука учащихся знакомят, де- монстрируя фрагмент «Запись звука на патефонной пластинке». Длительность этой демонстрации — 4 мин. § 4. УЛЬТРАЗВУК В большинстве опытов по ультразвуку применяется высокоча- стотный генератор с пьезоэлектрическим излучателем и комплек- том простых деталей. Ультразвуковой генератор (рис. 221) собран по двухтактной схеме с индуктивной обратной связью на лампах 6ПЗС, работающих в триодном режиме. Рис. 221. Схема ультразвукового генератора 209
Рис. 222. Внешний вид уль- тразвукового генератора Колебательный контур состоит из конденсатора переменной емкости С( и катушки индуктивности Ка- тушка намотана на каркасе диамет- ром 50 мм и содержит 60 витков медного провода диаметром 1 мм. От середины катушки сделан отвод для подачи напряжения на аноды ламп. В цепь питания включен высокочас- тотный дроссель Др, содержащий 500 витков провода диаметром 0,2 мм и уложенный секциями в пазах изо- лирующего каркаса диаметром 20 мм. Катушка обратной связи Ь2 содер- жит 30 витков медного провода ди- аметром 0,5 мм с отводом от сред- ней точки. Она намотана на каркасе диаметром 45 мм и расположена внутри контурной катушки. В цепь катодов ламп включено проволочное сопротивление Д, рас- считанное на мощность 10—15 вт. С помощью этого сопротивления на сетки ламп подается посто- янное отрицательное напряжение смещения, благодаря чему уве- личивается выходная мощность генератора. Параллельно контуру, через разделительные высоковольтные конденсаторы С2 и С3, включается пьезоэлектрический излуча- тель ультразвука, показанный на схеме пунктиром. Генератор смонтирован на панели размером 230 х 170 мм (рис. 222). На лицевой стороне панели расположены лампы, коле- бательный контур и зажимы для подключения источника питания и излучателя ультразвука. На обратную сторону вынесена ручка переменного конденсатора и весь монтаж. Генератор устойчиво работает в интервале частот 0,8—1,3 Мгц и питается от школьного выпрямителя с напряжением 350 в. Рис. 223. Излучатель ультразвука: / — пьезокерамическая пластинка, 2 — держатель пластинки, 3~ алюминиевая крышка держателя, 4 — излучатель в собранном виде 210
Рис. 224. Комплект деталей к ультразвуковому гене- ратору: 1 — кювета прямоугольная, 2 — кювета с плоскопараллель- ными стенками, 3 — линза плоско-вогнутая, 4 — пластинка, 5 — пластинка дугообразная, 6 — пластинка плоскопараллель- ная, 7 — призма, 8— пластинки из пенопласта, пластинка с поперечным отверстием Излучатель ультразвука (рис. 223) состоит из пьезокерамической пластинки 1 диаметром 20 мм и толщиной 18 мм и держателя 2 с тонкой алюминиевой крышкой 3. Держатель пред- ставляет собой цилиндр с внешним диаметром 30 мм и высотой 18 мм, выточенный из органического стекла. На верхний конец цилиндра надет латунный ободок с винтовой нарезкой для алюми- ниевой крышки. В торце цилиндра выточено углубление диамет- ром 21 мм и глубиной 5 мм для пьезопластинки. На дне этого углуб- ления сделано второе углубление диаметром 10 мм для спиральной пружины, которая прижимает пьезопластинку к алюминиевой крышке. К верхнему концу пружины припаян латунный диск ди- аметром 10 мм, а к нижнему концу — подводящий провод, который введен в цилиндр через боковое отверстие. Таким образом, электри- ческие выводы от пьезопластинки осуществляются сверху через крышку и ободок, к которому припаян второй провод, а снизу — через латунный диск и спиральную пружину. Давление пружины на пьезопластинку регулируется с помощью поворота крышки. Достоинство держателя такой конструкции состоит в том, что он позволяет вводить ультразвук как в твердое тело, так и в жид- кость, при этом ультразвуковые волны излучаются только в одну сторону благодаря отражению их от слоя воздуха, находящегося внутри держателя под пьезопластинкой. В результате 'этого ин- тенсивность излучения приблизительно удваивается. В комплект деталей к генератору (рис. 224) входят: кювета / прямоугольной формы из органического стекла с внутренним размером 80 X 80 X 40 мм; кювета 2 с плоскопарал- лельными стенками и тонким дном из органического стекла разме- ром 80 x 80 X 10 мм; плоско-вогнутая линза 3 диаметром 30 мм и радиусом кривизны 25 мм, выточенная из органического стекла; ме- 211
таллическая пластинка 4 размером 40 X 9 X 0,5 мм; металличе- ская пластинка 5 такого же размера дугообразная; пластинка 6 из органического стекла размером 120 X 9 X 3 мм; призма 7 из ор- ганического стекла размером 20 X 9 X 7 мм; две пластинки 8 из пенопласта толщиной 5 мм; пластинка 9 из органического стекла размером 40 х 9 х 5 мм с поперечным отверстием диаметром 4 мм. ОпЫГИ Прямой и обратный пьезоэфсЬекты 91 Оборудование: 1) пьезоэлектрический излучатель ультразвука, 2) звуковой генератор, 3) электронный осциллограф, 4) камертон с резона- торным ящиком, 5) резиновый молоточек. Перед демонстрацией опытов с ультразвуком необходимо по- казать прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой пьезоэффект демонстрируют на установке, показан- ной на рисунке 225. Учащихся кратко знакомят с устройством излу- чателя ультразвука, а затем подключают его к входным зажимам вертикального усилителя осциллографа. Включив осциллограф, по- лучают на экране светлую горизонтальную линию. Далее на крыш- ку излучателя ставят звучащий камертон и наблюдают на экране синусоидальную кривую звуковых колебаний. Частоту горизон- тальной развертки генератора и усиление по вертикали подбирают так, чтобы изображение на экране было неподвижным и хорошо видимым учащимся. По мере затухания камертона осциллограмма стягивается в горизонтальную линию. Опыт свидетельствует о том, что между поверхностями пьезопластинки возникает электрическое напряжение, величина которого пропорциональна деформации плас- тинки. Это явление называют прямым пьезоэффектом. В этом опыте вместо осцил- лографа можно взять усилитель низкой частоты. Тогда индика- тором переменного напряжения, возникающего между поверх- ностями пьезопластинки, будет звучащий громкоговоритель. Обратный пьезоэффект де- монстрируют с тем же излуча- телем. Его отключают от осцил- лографа и подключают к вы- ходу звукового генератора (рис. 226). При напряжении на выходе порядка 100—200 в пьезоплас- тинка приходит в колебание и Рис. 225. Демонстрация прямого пьезоэффекта 212
Рис. 226. Демонстрация обратного пьезоэффекта излучает звук, частота которого соответствует частоте наложенно- го на нее переменного напряжения. Плавно изменяя частоту зву- кового генератора, демонстрируют звучание пластинки на раз- личных частотах. Для усиления звука излучатель кладут на крышку резонаторного ящика и слегка прижимают пальцем. По мере повышения частоты колебаний громкость звука посте- пенно уменьшается, и при частоте около 20 000 гц звук исчезает совсем. Поясняют учащимся, что уменьшение громкости звука — явление кажущееся. В действительности оно вызвано уменьшением чувствительности уха к высоким колебаниям. Это утверждение мо- жет вызвать у некоторых учащихся сомнение, которое устраняется при демонстрации последующих опытов. Опыт Получение ультразвука 92 Оборудование: 1) ультразвуковой генератор с набором принад- лежностей, 2) выпрямитель школьный, 3) проекционный аппарат, 4) экран, 5) линейка прозрачная с миллиметровыми делениями, 6) вода, глицерин, крахмал, 7) кинофильм «Ультразвук и его применение в технике», 8) кино- проектор. Излучатель ультразвука устанавливают на подъемном столике проекционного аппа- рата, как показано на рисун- ке 227. На крышку излучате- ля ставят кювету с плоско- параллельными стенками из органического стекла, напол- ненную водой. Поверхность излучателя предварительно смазывают трансформаторным или вазелиновым маслом так, чтобы между излучателем и дном кюветы не осталось 213
5 Рис. 228. Отражение ультразвуковых волн: «—от поверхности жидкости, б — от плоской пластинки, по- ставленной под углом, в — от вогнутой пластинки, г — при про- хождении через плоскопараллельную пластинку воздушных пузырьков, иначе ультразвук не попадет в кюве- ту. Затем с помощью объектива получают на экране четкое изобра- жение поверхности воды. Желательно воспользоваться оборотной призмой, чтобы иметь прямое изображение. Пьезоэлектрический излучатель подключают к ультразвуко- вому генератору и, медленно вращая ручку конденсатора перемен- ной емкости, добиваются совпадения частоты генератора с часто- той собственных колебаний пьезопластинки. В этот момент на по- верхности воды возникает хорошо заметная рябь или даже волне- ние, что и доказывает наличие колебаний у пьезопластинки. Для получения ультразвуковых колебаний большой мощно- сти излучатель следует погрузить в широкую кювету с глицерином или другой какой-либо изолирующей! жидкостью и по-прежнему воз- буждать пьезопластипку на собственной •частоте. Картину ультразвуковых волн в жидкости можно сделать ви- димой. Для этого в кювету с водой добавляют небольшое количест- во крахмала (0,3 г крахмала на 10 мл воды). Подъемный столик устанавливают так, чтобы поверхность излучателя была строго па- раллельна свободной поверхности жидкости. Размешивают воду и 214
включают генератор. Вследствие отражения волн от поверхности воды в кювете образуются плоские стоячие волны, показанные на рисунке 228, а. Темные полосы соответствуют узлам, так как в них концентрируются частицы крахмала, а светлые — пучностям. Для измерения длины стоячей волны в кювету помещают проз- рачную линейку с миллиметровыми делениями и проецируют ее вместе с волнами на экран. Зная длину стоячей волны и скорость распространения звука в воде, легко рассчитать частоту колебаний пластинки. Следует обратить внимание учащихся также на воз- можность определения указанным методом скорости распростра- нения ультразвука в жидкости. Для ознакомления учащихся с другими способами получения ультразвука демонстрируют первый фрагмент «Ультразвук и его получение» из учебного кинофильма «Ультразвук и его применение в технике». В этом фрагменте показаны: пьезоэлектрический эф- фект, явление электрострикции, кварцевый излучатель, явление магнитострикции и работа магнитострикционного излучателя. Опыт Основные свойства ультразвука 93 Оборудование то же, что и в опыте 92. Собирают установку (рис. 227), описанную в предыдущем опы- те, и демонстрируют следующие основные свойства ультразвука. 1. Отражение волн. В кювету с водой и разведенным в ней крахмалом вносят плоскую металлическую пластинку и рас- полагают ее под углом 45° к поверхности воды. Включают ультра- звуковой генератор и добиваются образования стоячих волн, как показано на рисунке 228, б. Стоячие волны получаются в резуль- тате отражения волн от внесенной пластинки и стенки кюветы. В этом опыте учащиеся одновременно наблюдают и интерферен- цию волн. Затем в кювету вносят металлическую пластинку, имеющую фор- му цилиндрического вогнутого зеркала. На экране наблюдают отра- жение круговых волн, сходящихся в главном фокусе зеркала (рис. 228, в). Если в кювету внести плоскопараллельную пластинку из органического стекла и расположить ее под углом 45° к по- верхности воды, то можно наблюдать одновременно два явления — отражение и преломление волн (рис. 228, г) 2. Преломление волн. В кювету наливают глицерин, а затем такое же количество воды, причем в обе жидкости пред- варительно добавляют немного крахмала. На экране наблюдают образование стоячих волн одновременно в обеих жидкостях (рис. 229, а). 215
б 3 г Рис. 229. Преломление ультразвуковых воли: а — н? границе двух сред при нормальном падении, б —то же при падении под углом, в — в призме, г — в линзе При переходе ультразвуковых волн через границу раздела двух жидкостей наблюдается изменение длины стоячей волны. В глице- рине длина стоячей волны получается больше, чем в воде, пример- но в 1,3 раза, что объясняется различием скорости распростране- ния ультразвука в указанных жидкостях. Чтобы наблюдать явление преломления волн, ультразвук на- правляют на границу двух жидкостей под некоторым углом. Для этого кювету вместе с излучателем слегка наклоняют в плоскости, перпендикулярной оптической оси проекционного аппарата (рис. 229, б). Угол наклона подбирают так, чтобы в обеих жидкостях образовалась четкая картина стоячих волн. Затем в кювету наливают одну дистиллированную воду с неболь- шой примесью крахмала и вносят призму из органического стекла. Призму располагают в кювете так, чтобы ее нижняя грань была па- раллельна поверхности излучателя. Кювету с излучателем немно- го наклоняют в сторону и добиваются образования стоячих волн, как показано на рисунке 229, в. Волны, пройдя призму, изменяют свое направление, отклоняясь от основания призмы вследствие 216
того, что скорость ультразвука в органичес- ком стекле больше, чем в воде. Чтобы наблюдать преломление волн в линзе, установку немного изменяют. Излу- чатель погружают на дно широкой кюветы, наполненной водой с примесью крахмала. На крышку излучателя ставят плоско-вог- нутую линзу, как показано на рисунке 229, г. Ультразвуковые волны, пройдя через линзу, собираются в ее фокусе. Если фокус окажет- ся на поверхности воды, то при достаточной мощности ультразвука в кювете образуется фонтан. 3. Дифракция волн. Опыт демон- Рис. 230. Дифракция ультразвуковых волн на щели стрируют с помощью двух не проницаемых для ультразвука пла- стинок из пенопласта. Пластинки опускают в кювету с водой и крахмалом на глубину 20—30 мм и располагают так, чтобы между ними образовалась щель шириной 2—3 мм. Включают генератор и наблюдают на экране, как волны полностью задерживаются пластинкой и проходят только через щель, образуя яркую дифрак- ционную картину (рис. 230). С целью повторения изучаемого материала учащимся демон- стрируют фрагмент «Свойства ультразвука» из учебного кинофиль- ма «Ультразвук и его применение в технике», где показывается за- висимость затухания ультразвуковых волн от упругости среды, прямолинейность распространения ультразвука в однородной среде, отражение от границы двух разных сред, фокусировка ультра- звука и образование ультразвукового фонтана. Опыт Практическое применение ультразвука 94 Оборудование то же, что и в опыте 92. Собирают установку по рисунку 227 и демонстрируют в проек- ции на экран следующие опыты. 1. Дегазация жидкости. На крышку излучателя ультразвука, предварительно покрытую тонким слоем трансформа- торного масла, ставят кювету с дистиллированной водой. Включают генератор и наблюдают на экране образование пузырьков воздуха, которые, соединяясь в более крупные, поднимаются на поверхность и выходят из воды. Учащимся сообщают, что подобным образом производится дега- зация жидкого стекла и расплавленного металла. 2. Коагуляция частиц. В кювету с водой добавляют крахмал (3 г крахмала на 10 мл воды) и тщательно перемешивают. 217
Рис. 231. Практические применения ультразвука: а--коагуляция частиц крахмала, б — дефектоскопия методом сквозного прозвучивания, в и г — очистка проводов После включения генератора наблюдают, как частицы крахмала собираются в узлах стоячих волн и после выключения генератора падают вниз, очищая воду. Затем на дно кюветы, напротив излучателя, ставят вогнутое цилиндрическое зеркало (рис. 231, а). Теперь коагуляция крахмала наблюдается только в небольшом объеме, заключенном между дном кюветы и зеркалом. Учащимся сообщают, что ультраакустическая коагуляция ши- роко применяется для очистки газов, осаждения частиц сажи и цвет- ных металлов. 3. Принцип ультразвуковой дефектоско- п и и методом сквозного прозвучивания демонстрируют следующим образом. В кювету с водой и крахмалом вносят исследуемую де- таль — брусочек из органического стекла размером 40 X 9 X 5 мм, в боковой стенке которого сделано поперечное отверстие, заклеен- ное с обеих сторон целлофаном (рис. 231, б). Брусочек располага- ют в кювете горизонтально, напротив излучателя ультразвука. На- страивают генератор на собственную частоту колебаний пьезопла- стинкп и добиваются возникновения стоячих воли. При этом заме- 218
чают, что стоячие волны образуются только за сплошными участ- ками брусочка. За отверстием же наблюдается ультразвуковая тень, так как ультразвук отражается от воздушного пузырька в брусочке и рассеивается. Наличие тени показывает, что исследуемая деталь имеет «раковину». Затем медленно перемещают брусочек в горизонтальном направ- лении и наблюдают исчезновение ультразвуковой тени, как только отверстие в брусочке выйдет из ультразвукового пучка. 4. Ускорение диффузии. В кювету с чистой водой осторожно наливают (через стеклянную трубочку, опущенную до дна) крепкий раствор марганцовокислого калия. Воду подвергают воздействию ультразвука и наблюдают ускорение диффузии. Под действием ультразвукового потока окрашенный раствор марганцо- вокислого калия поднимается со дна кюветы и перемешивается с водой. 5. Очистка металлических изделий. Кусок тонкого провода свертывают в пучок, покрывают вазелином и опу- скают в кювету с бензином или метиловым спиртом (рис. 231, в). Включают генератор и наблюдают, как частицы вазелина отрыва- ются от провода и уносятся ультразвуковым потоком. Через неко- торое время провод полностью очищается от вазелина (рис. 231, а). Поясняют, что в процессе очистки существенную роль играет ускорение диффузии и растворения под действием ультразвука, а также кавитационные взрывы, возникающие у поверхности про- вода. С помощью ультразвука быстро могут быть очищены тела са- мой сложной формы. 6. Получение эмульсий. На дно широкой кюветы опускают излучатель с плоско-вогнутой линзой, как показано на рисунке 229, г, а затем наливают столько воды, чтобы поверхность ее совпала с фокальной плоскостью линзы. В кювету добавляют не- сколько капель трансформаторного масла. При настройке генера- тора на собственную частоту пьезопластинки на поверхности воды, покрытой тонким слоем масла, образуется фонтан, который разби- вает масло на мелкие частицы. Через 3—5 мин облучения в кювете образуется однородная эмульсия. 7. Биологическое действие. В кювету с водой, в которой плавают рачки-циклопы, опускают на 2—3 мин излуча- тель ультразвука. Громадные местные давления, возникающие в воде вследствие кавитации, губительно действуют на циклопов. Под действием ультразвука циклопы прекращают интенсивное дви- жение и погибают. С другими практическими применениями ультразвука учащих- ся знакомят, демонстрируя третий фрагмент «Практическое приме- нение ультразвука» из учебного кинофильма «Ультразвук и его применение в технике».
ГЛАВА III ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ К приборам, которые чаще других применяются в этой теме и могут считаться основными, относятся воздуходувка, микро- манометр и аэродинамические весы. Воздуходувка (рис. 232) представляет собой один из приборов, входящих в комплект универсального электродвигате- ля. Насаживаемая на электродвигатель небольшая плоская жестя- ная камера 1 с четырехлопастиой крыльчаткой внутри обеспечива- ет получение достаточно равномерного и сильного воздушного по- тока. При вращении крыльчатки воздух засасывается внутрь камеры сквозь отверстия 2, имеющиеся вблизи подшипников, и прогоняется сильным потоком через широкий патрубок 3. Для ослабления вихрей в воздушном потоке патрубок снабжен спрямля- ющей решеткой 4. Воздуходувка соединяется с электродвигателем кронштейном 5. Кронштейн имеет вырезы, входящие под зажимные винты электро- двигателя, а также простое устройство, позволяющее в случае не- обходимости повертывать воздуходувку относительно кронштейна на 90°. Вал крыльчатки соединяется с валом электродвигателя не- большим отрезком толстостенной резиновой трубки 6. Для проведения опытов воздуходувка устанавливается в тре- ноге универсального штатива. С этой целью к электродвигателю прикреплен опорный стержень 7 диаметром 14 мм и длиной 160 мм. Стержень может быть зажат в муфте штатива и воздуходувка уста- новлена в любом положении на разной высоте над демонстрацион- ным столом. Скорость воздушного потока можно плавно изменять, меняя число оборотов электродвигателя, который питается от сети перемен- ного тока с напряжением 127 или 220 в через автотрансформатор РНШ пли ЛАТР или через реостат со скользящим контактом (400—600 ом). В опытах, где требуется получение более широкого воздуш- ного потока (демонстрация действия ветродвигателя или ветрона- сосной станции), применяется вентиляторная насадка (рис. 233), плотно насаживаемая на выступающий конец вала электродвига- теля. Трехлопастная насадка изготовлена из резины и имеет удо- бообтекаемый профиль. 220
Микроманометр демонстрационный размером 240 X X 300 X 75 мм (рис. 234) служит для измерения давлений и разре- жений с точностью до 1 мм водяного столба. Прибор имеет пределы измерений от 0 до 20 мм вод. ст. как в сторону избыточного давления (на шкале отмечено «+»), так и разрежения (обозначено «—») и применяется в опытах по аэродинамике, а также по теплоте и молекулярной физике. В ряде опытов этот прибор может быть заменен самодельным жидкостным наклонным манометром1. Чувствительным элементом микроманометра является герме- тичная коробка 1, состоящая из двух мембран, спаянных по краям Мембраны изготовлены из тонкой бронзовой фольги и имеют про- фильную кольцевую гофрировку. Внутренняя полость мембран- ной коробки соединяется трубкой 2 с коническим штуцером 3, на который надевается подводящий резиновый шланг от измеряемого объекта. Разность давлений вызывает перемещение жесткого центра пе- редней мембраны, которое поводком 4 передается па рычаг 5, по- ворачивая ось 6. Этот поворот передается далее через тягу 7 на ось стрелки 8, которая перемещается по шкале от среднего нулевого положения в одну и другую стороны. Шкала прибора имеет крупные деления в миллиметрах водяного столба, которые, как и мембран- ная коробка со стрелкой, хорошо видны издали. Для установки стрелки на нуль служит корректор 9, ручка ко- торого выведена с обратной стороны прибора. Так как прибор имеет чувствительный механизм, необходимо при подготовке и проведении опытов с ним соблюдать меры предо- Рис. 232. Воздуходувка с универ- сальным электродвигателем Рис. 233. Вентиляторная насадка на универсальном электродвигателе 1 Р. Г и р к е и Г. Ш п р о к х о ф, Эксперимент по курсу элемен- тарной физики, ч. 2, М., Учпедгиз, 1959, стр. 149—150. 221
Рис. 234. Демонстрационный микроманометр: - а --лицевая сторона прибора, б — схема устройства сторожности: не допускать резких толчков, тряски, вибраций, не превышать допустимых пределов измерений; изменение давле- ний должно быть плавным, без рывков. Аэродинамические весы (рис. 235) с набором об- текаемых тел 1 предназначаются для демонстрации зависимости лобового сопротивления от формы тела, помещенного в воздушном потоке. Основной частью прибора является неравноплечий рычаг, укрепленный в центрах и играющий роль коромысла. На одном кон- це рычага имеется винт 2 для крепления обтекаемых тел, а на дру- гом — перемещающийся противовес 3 для уравновешивания ры- чага, т. е. приведения весов в начальное положение. Это положение определяется по совмещению указателя 4 — стрелки, прикреплен- ной к рычагу, с меткой 5 на экранчике за стрелкой. Прибор установ- лен на стойке с чугунной треногой. Для относительного измерения силы сопротивления, выво- дящей весы из равновесия при обдувании тел потоком воздуха, у прибора предусмотрена стрелка 6, перемещающаяся по диску с равномерной шкалой. Стрелка соединена с простым механизмом, находящимся за диском и показанным на рисунке 235, б. Механизм состоит из спиральной пружины 7, прикрепленной к рычагу весов, блочка 8, па оси которого укреплена стрелка диска, и пластины 9, поворачивающейся с некоторым трением на оси 10. Пружина и пластина соединены между собой прочной нитью, переки- нутой один раз через блок. 222
Рис. 235. Аэродинамические весы с набором обтекаемых тел а — лицевая, б — обратная сторона прибора Перед демонстрацией уравновешивают коромысло весов проти- вовесом (начальное положение) и устанавливают стрелку у диска на нуль (она держится на трении). После этого направляют на тело воздушный поток и наблюдают, что весы выходят из равновесия. Затем, оставляя тело в потоке, перемещают рукой пластину 9 вниз, пока весы снова не придут в начальное положение. Очевидно, пру- жина при этом растянется, и величину этого растяжения покажет стрелка по делениям диска в некоторых относительных единицах. Прилагаемые к прибору тела должны иметь одинаковый вес. Для этого на держателях укреплены дополнительные компенсирую- щие грузы в виде небольших металлических цилиндров 11. Кроме описанного прибора, в демонстрационных опытах с ус- пехом могут применяться аэродинамические весы упрощенной кон- струкции (рис. 236). Они представляют собой тоже неравнопле- чий рычаг 1 в виде легкой дюралевой трубки с небольшим переме- щающимся противовесом 2. Длина трубки 300 мм, диаметр 5 мм. Рычаг укрепляется в центрах при помощи прочной скобы 3, кото- рая на 30 мм выступает вперед с лицевой стороны опорной рамки- шкалы 4. Деления на шкале имеют интервал в 2 см и хорошо видны издали. С обратной стороны опорная рамка имеет металлический стержень длиной 100 мм и диаметром 10 мм для закрепления при- бора в муфте штатива. На оси вращения рычага имеется небольшой блочек 5 диаметром 20 мм, в котором снизу перпендикулярно линии 223
4 Рис. 236. Аэродинамические весы упрощенной конструкции рычага сделано гнездо с зажим- ным винтом 6 для закрепления проволочных держателей с обте- каемыми телами 7. Держатели все имеют одинаковую длину 10 см, считая от оси вращения до центра тяжести тела, что позволяет сменять тела, не нару- шая этого расстояния. На плечо рычага надевается рейтер — пе- регрузок 8 в виде изогнутой пластинки весом, например, в 1 Г. (На рис. 236 показано по- ложение рейтера в нерабочем со- стоянии.) Когда обтекаемое те- ло попадает в воздушный поток и весы выходят из равновесия, перемещением рейтера возвращают их в исходное положение, о чем судят по совпадению конца линейки с неподвижным указателем 9. При этом величина лобового сопротивления определяется в грам- мах и долях грамма по положению рейтера и делениям на шкале, а с рейтером неопределенной величины — в условных единицах. Исследуемые тела 10 имеют одинаковую площадь лобового се- чения. Так как крепятся тела на весах по линии, проходящей через ось вращения рычага, а величина силы сопротивления опре- деляется при уравновешенном рычаге, то не возникает необхо- димости в точной подгонке тел по весу. Все же тела не должны быть слишком тяжелыми, чтобы не снижать заметно чувствительность весов. Тела обтекаемой формы изготавливаются обычно из дерева или пластмассы, а пластинка и полусфера—из жести или алюминия. § 1. СТАЦИОНАРНЫЙ ПОТОК. ДАВЛЕНИЕ И СКОРОСТЬ ПОТОКА. ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ Опыт Наблюдение линий тока жидкости 95 Оборудование: 1) прибор для демонстрации линий тока, 2) про- екционный аппарат, 3) штатив универсальный, 4) оакан для стока воды, 5) стакан с разведенным крахмалом или с порошком пиретрума в прокипя- ченной воде. Движение жидкостей и газов при установившемся (стационар- ном) потоке характеризуется постоянством скорости частиц в данной точке потока, хотя в разных точках эта скорость может 224
быть различной. Стационарный поток удобно изучать, пользуясь линиями тока, которые хорошо образуются в при- боре Поля и проецируются на экран. Прибор (рис. 237) состоит из двух пластин из органического стекла 1 размером приблизительно 170 X 85 мм, склеенных по краям на расстоянии 1 мм друг от друга. В верхней части пластин с обеих сторон укреплены две небольшие ванны 2 и 3 для чистой и подкрашенной воды. Для выхода воды в пространство между пластинами в пос- ледних просверлено по десяти отверстий 4 диаметром приблизительно 1 мм. От- верстия одного ряда смещены по отно- шению к отверстиям другого ряда на по- Рис. 237. Прибор для де- монстрации линий тока жидкости ловину расстояния между двумя сосед- ними отверстиями. Внизу прибора имеется кран 5 для регули- рования течения жидкости, а сбоку — стержень 6 для закреп- ления прибора в муфте штатива во время демонстрирования. Раз- мер проецируемой части прибора 100 X 70 мм. Для демонстрации устанавливают прибор перед конденсором проекционного аппарата и при помощи объектива с оборотной призмой (или с плоским зеркалом) получают на экране прямое изо- бражение. Затем подставляют под кран химический стакан и запол- няют прибор водой, в которой предварительно разводят немного крахмала, несколько щепоток пиретрума. Воду желательно брать прокипяченную, чтобы на стенках не образовывались пузырьки воздуха, мешающие наблюдению основного явления. На этом закан- чивается подготовка установки. Слегка приоткрывают кран, чтобы вода вытекала из него не- частыми каплями, и наблюдают на экране общий поток жидкости. Движение хорошо заметно по перемещению частичек крахмала, которые четко проецируются на экран. Затем кран закрывают. В одну из ванночек пускают 2—3 капли чернил из авторучки и аккуратно перемешивают подкрашенную воду. Снова приоткры- вают кран и наблюдают постепенное появление четких окрашенных линий тока (рис. 237). Вверху хорошо видно параллельное распо- ложение линий тока, а с приближением к сливу с краном они изгибаются, приближаются друг к другу и делаются тоньше. Ширину потока внутри прибора можно изменять, например, дву- мя вставными овальными пластинками, которые удерживаются небольшими пружинящими лепестками. Тогда картина расположе- ния линий тока будет другая (рис. 238, а). Если теперь проследить за какой-нибудь отдельной частич- кой, можно увидеть, что сначала ее движение медленное, а по мере 8 Заказ 480 225
Рис. 238. Расположение линий тока при обтека- нии тел различной формы приближения к сужению скорость возрастает (линии тока сгущают- ся). При дальнейшем движении по широкой части скорость потоке опять уменьшается. Таким образом, по расположению линий тока в стационарном потоке можно судить о скорости течения в различ- ных его частях. С помощью описанного прибора можно наглядно показать рас- положение линий тока при обтекании круга, профиля крыла само- лета (рис. 238, бив) и других фигур. UПЫ Ш Давление в потоке жидкости 96 Оборудование: 1) прибор для демонстрации давления в потоке жидкости, 2) проекционный аппарат, 3) склянка емкостью 2 л с тубусом внизу,. 4) резиновые трубки: одна 50 см с пробкой для присоединения к тубу- су, другая 30 см сливная с краном или винтовым зажимом на конце, 5) кювета для стока воды. Прибор для демонстрации давления в потоке жидкости изго- товлен из пластинки органического стекла размером 80 X 40 X X 15 мм (рис. 239). В нижней части прибора сделан канал 1. Он имеет поперечное сечение 8 X 8 мм и оканчивается двумя ниппеля- ми 2 и 3, на которые надеваются соединительные резиновые трубки. Канал имеет две высверленные в пластинке манометрические труб- ки 4 и 5 диаметром 3 мм. Одна из трубок оканчивается наконечни- ком 6, изогнутым под прямым углом к потоку. Прибор имеет ме- таллический опорный стержень для установки в рейтере проекцион- ного аппарата или на подставке (для хранения). 226
Перед опытом собирают установку по рисунку 240. Располагают прибор перед конденсором про- екционного аппарата и при помощи объектива с оборотной призмой (или плоским зеркалом) полу- чают на экране прямое изображение. К ниппелю 3 присоединяют резиновую трубку с закрытым краном на конце, который опускают в кювету для стока воды1. Ниппель 2 соединяют со склянкой. Затем поднимают ее на подставку так, чтобы вода заполнила прибор и уровни в манометрических трубках установились несколько выше середины. Демонстрацию начинают с наблюдения давле- ния в одной трубке, другую, с изогнутым концом, закрывают на время картонной шторкой. Посте- пенно открывают кран и на экране наблюдают, как с увеличением скорости потока уменьшается дав- ление текущей жидкости на стенки канала. Мед- ленно закрывают кран (уменьшают скорость); дав- ление возрастает до первоначального. Эту часть опыта не следует затягивать, чтобы не вводить поправку на уменьшение уровня жидкости в склянке. Рис. 239. При- бор для демон- страции давле- пия в потоке жидкости Рис. 240. Установка для демонстрации давления в потоке жидкости 1 Кран должен иметь проходное отверстие диаметром не менее 5 мм. 8* 227
Далее снимают картонную шторку, которой была закрыта вто- рая трубка, и обращают внимание учащихся, что у этой трубки открытый конец обращен навстречу потоку и плоскость отверстия расположена перпендикулярно направлению течения. Однако Пока движения жидкости нет, уровни жидкостй В обейх трубках нахо- дятся на одной высоте. Затем открывают кран почти полностью и постепенно поднима- ют склянку с водой, чтобы уровень жидкости в прямой трубке уста- новился приблизительно на х/3 ее высоты. В это время в другой трубке уровень будет значительно выше: здесь жидкость, посту- пающая в отверстие трубки, останавливается (а = 0) и ее кинети- ческая энергия превращается в потенциальную энергию поднятой воды в трубке. В этом случае уровень жидкости в трубке показывает так называемое полное давление, представляющее собой сумму ста- тического и скоростного давлений. Разность давлений в трубках можно сделать еще больше, если увеличить скорость течения. Для этого надо кран открыть полностью, а склянку приподнять еще выше. - • и п Ы т Давление в воздушном потоке 97 Оборудование: 1) воздуходувка, 2) микроманометр, 3) трубка Пито, 4) трубка-зонд, 5) штатив универсальный, 6) резиновая трубка длиной около 1 м. Для определения давления в воздушном потоке применяются два датчика: трубка Пито (рис. 241, а) и трубка-зонд (рис. 241, б). Они изготавливаются по указанным на рисунке размерам из тон- костенной металлической трубки диаметром 4 мм. Рис. 241. Трубка Пито (а) и трубка-зонд (£>) для измерения давления в воздушном потоке 228
Рис. 242. Установка для исследования давления в воздушном потоке У первого датчика отогнутый конец открытый, а у второго он запаян и имеет обтекаемую форму. Кроме того, на боковой поверх- ности трубки-зонда по окружности сделаны симметрично четыре отверстия диаметром 1 мм. Опыт начинают с исследования полного давления в различных местах воздушного потока трубкой Пито. Для этого с помощью муф- ты закрепляют трубку в штативе и соединяют резиновым шлангом с микроманометром (рис. 242). Открытый конец трубки распола- гают приблизительно на расстоянии 20—25 см от воздуходувки и направляют навстречу воздушному потоку. Включают воздуходув- ку и наблюдают показания микроманометра. Изменяют скорость вра- щения электродвигателя и замечают уменьшение или увеличение давления при изменении скорости потока. Обращают внимание учащихся, что воздух, поступая в откры- тый конец трубки Пито, тормозится (и = 0). При этом увеличива- ется степень сжатия, что и отмечает микроманометр. Далее исследуют воздушный поток по его сечению при одной и той же скорости вращения электродвигателя. С этой целью по- степенно перемещают трубку Пито сначала вместе со штативом, т. е. по горизонтали, а затем вместе с муфтой вдоль штатива, т. е. по вертикали. При этом полезно перед штативом поставить демон- страционную линейку с сантиметровыми делениями и записать зна- чения давлений на классной доске. Наблюдения покажут, что в не- которой средней части потока давление остается почти неизменным (однородный поток), а с приближением к краям уменьшается. После этого заменяют трубку Пито трубкой-зондом. Уста- навливают ее изогнутым закрытым концом навстречу потоку по его осевой линии. Теперь отверстия на боковой поверхности трубки-зонда располагаются параллельно линиям тока. Обращают внимание учащихся, что это подобно тому, как ес- ли бы трубка Пито двигалась вместе с воздушным потоком. Оче- 229
видно, трубкой-зондом измеряется давление в неостановленном потоке, т. е. так называемое статическое давление. Наблюдения показывают, что статическое давление в наших опытах со свободным воздушным потоком, имеющим сравнительно небольшую скорость, мало отличается от атмосферного: показания микроманометра лежат в пределах 0,5—1 мм водяного столба. Однако при той же установке картина резко изменяется, если в по- токе перед концом трубки-зонда поместить преграду, например конец ученической линейки. Микроманометр покажет значитель- ное уменьшение давления, так как за преградой воздух оказывает- ся разреженным. Опыт Зависимость давления от скорости течения жидкости и газа 98 Оборудование: 1) прибор с каналом разного сечения, 2) проек- ционный аппарат, 3) склянка емкостью 2 л с тубусом внизу, 4) резиновые трубки: одна 50 см с пробкой для присоединения к тубусу и винтовым зажи- мом, другая, сливная, 30 см с краном или выходным патрубком на конце, 5) кювета для стока воды. Прибор для демонстрации давления жидкости, текущей по тру- бе разного сечения, предназначен для проецирования. Он изготов- Рпс. 243. Прибор для демонстрации давле- ния жидкости, теку- щей по трубе разного сечения лен из пластинки органического стекла раз- мером 80x60x20 мм, внутри которой прос- верлен горизонтальный канал, имеющий в середине сужение (рис. 243). К каналу на равных расстояниях друг от друга подходят три манометрические вертикальные трубки диаметром 3 мм, причем одна из них соедине- на с узкой частью трубки. Горизонтальный канал с обеих сторон оканчивается ниппеля- ми для подачи и стока воды. Прибор укреп- лен на металлическом стержне и может уста- навливаться в рейтере проекционного ап- парата или в подставке во время хранения. 1. Для проведения демонстраций поме- щают прибор перед конденсором проекцион- ного аппарата и объективом с оборотной призмой (или плоским зеркалом), получают на экране прямое изображение, как было показано в опыте 96 (рис. 240). К ниппелю для подачи воды присоеди- няют резиновую трубку от сосуда с водой, который располагается на подъемном столике 230
Рис. 244. Установка для демонстрации распределения давле- ния в воздушном потоке разного сечения (вблизи проекционного аппарата). К другому ниппелю присоединя- ют сливную трубку со стеклянным наконечником (длина наконеч- ника 40—50 мм, внутренний диаметр 3,5—4 мм) и направляют ее в кювету. Этим и заканчивается подготовка установки. Медленно открывают винтовой зажим на трубке от склянки с водой и на экране наблюдают, как при некотором установившемся потоке уровни жидкости в манометрических трубках займут опре- деленное положение. Обращают внимание учащихся, что в узкой части канала, где скорость течения наибольшая, давление меньше, чем в широкой части, где скорость меньше. Некоторое уменьше- ние давления в третьей трубке, расположенной у выходного ниппеля, по сравнению с первой объясняется влиянием внутрен- него трения (вязкости) жидкости (см. опыт 107). В успехе этого опыта (а также и других опытов по гидродинами- ке) особенно важное значение имеет величина выходного отверстия у сливной трубки. Поэтому надо один раз подобрать подходящий стеклянный наконечник и хранить его. Можно воспользоваться краном или винтовым зажимом на кон- це сливной трубки. Но тогда перед уроком необходимо подобрать опытным путем величину выходного отверстия, т. е. положение открытого крана или зажима. Для этого постепенно открывают кран до половины и пускают воду. Если при установившемся потоке уровни жидкости во всех манометрических трубках будут почти 231
одинаковыми, то кран открыт мало. Если же уровни в крайних трубках возрастают, а в средней происходит подсос воздуха и уро- вень жидкости не устанавливается, то выходное отверстие велико и кран следует немного прикрыть. В таком положении его (или вин- товой зажим) и оставляют для проведения опыта на уроке. 2. Демонстрацию опыта с потоком воздуха, проходящего по трубе разного сечения, проводят с тем же прибором. Его распо- лагают также перед конденсором проекционного аппарата, но в перевернутом положении (манометрическими трубками вниз) и проецируют на экран. Опорный стержень ввертывают в заранее подготовленное сбоку прибора отверстие с нарезкой и зажимают в муфте штатива (рис. 244). На столике, укрепленном в рейтере проекционного аппарата, устанавливают под прибором небольшую ванночку (85x25x35 мм) с прозрачными боковыми стенками. Наполняют ванночку водой так, чтобы манометрические трубки были погружены в нее не ме- нее чем наполовину. На выходной ниппель надевают резиновый патрубок длиной 5—7 см, а на другой — резиновую трубку длиной 30—50 см. На этом заканчивается подготовка опыта. Продувают через канал воздух ртом и на экране наблюдают, что в средней манометрической трубке уровень жидкости заметно поднимается, что свидетельствует об уменьшении давления в уз- кой части канала. В крайних же трубках уровни будут ниже, так как давление в широкой части канала больше. При увеличении скорости воздушного потока можно наблюдать всасывающее действие струи воздуха: в средней манометрической трубке вода будет подниматься до канала и мелкими каплями выле- тать из выходного ниппеля. В таком виде опыт явится некоторой подготовкой к демонстрации действия пульверизатора. J ПЫ т Устройство и действие пульверизатора и водоструйного насоса 99 Оборудование: 1) пульверизатор демонстрационный, 2) модель водоструйного насоса, 3) проекционный аппарат, 4) склянка с водой емко- стью 2 л с тубусом внизу, 5) манометр открытый водяной, 6) цилиндр для де- монстрации упругости газов, 7) подъемный столик, 8) штатив универсаль- ный, 9) три резиновые трубки: две длиной по 40—50 см и одна длиной 10— 15 см с внутренним диаметром 4—5 мм, 10) стакан с подкрашенной водой, 11) кювета для стока воды, 12) резиновая груша от гигрометра, 13) папироса, 14) винтовой зажим. Практическое применение всасывающего действия струи раскры- вается в опытах с пульверизатором и водоструйным насосом. 1. Пульверизатор для демонстрационных целей собирается по рисунку 245. Прибор состоит из стеклянных трубок 1 и 2, ко- 232
торне соединяются под прямым углом при помощи простого металлического держателя 3. Широкая вертикальная трубка длиной 25 см и диаметром 15 мм имеет сверху стеклянный оття- нутый наконечник, который плотно вставляется через резиновую проб- ку. Горизонтальная трубка длиной 12 см и диаметром 6 мм имеет сужа- ющийся конец с внутренним диамет- ром 2 мм. Она укрепляется в лапке штатива, и в таком виде прибор уста- навливается в стойке 4 от подъем- ного столика. Закрепляя лапку шта- тива на разной высоте в стойке, мож- но больше или меньше погружать Рис. 245. Демонстрация дейст- вия пульверизатора в воду вертикальную трубку, т. е. менять высоту поднимаемого столба жидкости. Для продувания воздуха на свободный конец горизонтальной трубки надевают резиновую трубку, которую соединяют со шту- цером цилиндра 5, применяемого для демонстрации упругости га- зов. При быстром движении поршня вниз возникает достаточно сильная струя воздуха, выбрасываемая из горизонтальной трубки. В результате над выступающим концом вертикальной трубки полу- чается пониженное давление. Вода поднимается до самого верха Рис. 246. Демонстрация устройства и действия модели водоструйного насоса 233
(высота 20—25 см), втягивается воздушной струей и распыляет- ся на мелкие брызги. Так как объем цилиндра сравнительно не- большой и струя идет непродолжительное время, то опыт надо по- вторить несколько раз. Для более длительного действия прибора можно вместо цилиндра воспользоваться футбольной камерой, которую накачивают при помощи ручного насоса или насоса Комовского. Воду в стакане следует подкрасить, например, марганцово- кислым калием. Кроме того, желательно воспользоваться подсве- том. Тогда разбрызгиваемая струя особенно хорошо будет выде- ляться на темном фоне классной доски. Успешное проведение опыта с пульверизатором зависит от правильного взаимного расположения трубок в металлическом держателе, где они закрепляются не жестко, а с достаточным тре- нием. Перед опытом надо обратить внимание, чтобы ось горизон- тальной трубки была на уровне выступающего наконечника верти- кальной трубки и расстояние между оттянутыми концами было 1—2 мм. Продувая воздух просто ртом и немного изменяя рас- стояние между концами трубок, добиваются, чтобы при сравни- тельно небольшой скорости потока вода в вертикальной трубке поднималась на возможно большую высоту. 2. Модель водоструйного насоса (рис. 246), предназначенная для учебных целей, выполнена из прозрачной пластинки органи- ческого стекла размером 50x50x10 мм и приспособлена для прое- цирования на экран. Внутри пластины имеется круглая плоская камера, соединенная стремя нип- пелями. Входной ниппель 1 за- канчивается в камере наконеч- ником с узким отверстием. Про- тив него вставлен выходной нип- пель 2 с более широким кана- лом, а сбоку — ниппель 3 для отсоса. Прибор снабжен опорным стержнем и легко закрепляется в штативе или устанавливается на подставке во время хранения. Чтобы показать устройство и -действие водоструйного насо- са, его проецируют на экран. Прибор укрепляют на штативе и помещают перед конденсором проекционного аппарата, как показано на рисунке 246. При помощи объектива с оборотной призмой получают на экране Рис. 247. Демонстрация действия во- прямое изображение и объясня- доструйиого насоса ют расположение деталей. 234
Затем, воспользовавшись в качестве индикатора дымом от па- пиросы, которую надевают на ниппель 3, показывают действие прибора. Для этого медленно продувают воздух резиновой грушей от гигрометра через входной ниппель. На экране хорошо видно, как дым поступает через ниппель отсоса в камеру, а затем, увлека- емый воздушным потоком, выходит наружу. Далее демонстрируют действие этого же водоструйного насоса со струей воды и манометром. Склянку с водой устанавливают на подъемном столике, который закрепляют в муфте на стержне шта- тива (рис. 247). На выходной ниппель надевают резиновую трубку длиной 10—15 см и внутренним диаметром 4—5 мм и направляют ее в кювету для стока воды. К ниппелю отсоса присоединяют манометр. Открывают кран или винтовой зажим полностью и пускают воду. По манометру наблюдают за понижением давления, которое достигает 15—20 см вод. ст. Опыт Падение давления в струе воздуха 100 Оборудование: 1) две легкие изогнутые пластины на опорной вилке, 2) воздуходувка, 3) стеклянная трубка с кольцевой насадкой и кар- тонным диском, 4) модель дома с откидной крышей, 5) штатив универсаль- ный, 6) воронка стеклянная диаметром 70—100 мм, 7) целлулоидный шарик от настольного тенниса. Уменьшением давления в воздушной струе объясняются многие явления, кото- рые на первый взгляд кажутся парадок- сальными. К таким явлениям относятся описанные ниже опыты. 1. Две легкие изогнутые пластины размером 100x160 мм из белой жести или алюминия свободно подвешивают на горизонтальных осях на расстоянии 4—5 см одну от другой (рис. 248). Стержень опор- ной вилки, на 'которой размещены плас- тины, зажимают в муфте штатива так, чтобы в сторону класса пластины были обращены своими торцами и видно было, что выпуклости направлены навстречу друг другу. Сверху штатива на расстоя- нии приблизительно 15—20 см от пластин укрепляют воздуходувку. Направляют воздушный поток вдоль изогнутых внутрь пластин. Вследствие сужения потока давление между пласти- нами уменьшается, и под действием более Рис. 248. Пластинки сближаются при проду- вании воздуха 235
Рис. 249. При продува- нии воздуха картонный диск поднимается н ви- сит у конца трубки стерженек 4 диаметром высокого атмосферного давления снаружи они заметно сближаются, хотя учащиеся часто предполагают увидеть обратное яв- ление. При достаточно большой скорости потока пластины начинают ударять друг о друга и отскакивать, так как при их соприкосновении воздушный поток перио- дически прерывается. 2. На рисунке 249 показан самодель- ный прибор. Он состоит из стеклянной трубки 1 длиной 20—25 см и диаметром 7—8 мм, кольцевой насадки 2 из пробки диаметром 40—50 мм и из легкого картон- ного диска 3 диаметром приблизительно 70 мм. Трубка должна плотно входить в отверстие пробки и не выступать за ее нижнюю поверхность. В центре диска укреплен небольшой легкий деревянный 2—3 мм и длиной 50—60 мм, а на коль- цевой насадке — три опоры (головки небольших вбитых в пробку гвоздей). Сначала показывают учащимся, что картонный диск ничем сни- зу не удерживается: стерженек свободно входит в трубку и явля- ется лишь направляющим, чтобы диск не смещался в стороны. За- Рис. 250. Шарик втягивается в воронку при продувании воздуха тем, поддерживая диск рукой на расстоя- нии около 1 см от конца трубки, сильно продувают через нее воздух и руку от- нимают. При этом наблюдают, как диск приподнимается к трубке и удержива- ется у ее нижнего конца все время, по- ка продувается воздух. После первого опыта с пластинами учащиеся легко понимают, что боль- шая скорость истечения воздуха в щель между диском и кольцевой насадкой вызывает понижение давления между ними и атмосферное давление снизу прижимает картонный диск к трубке. 3. Подобный опыт можно проде- лать с легким целлулоидным шариком в стеклянной воронке (рис. 250). Шарик кладут на руку и вводят его снизу в воронку, слегка изгибая ладонь и приб- лижая шарик к входной трубке на рас- стояние 2—3 см. Затем сильно продува- ют воздух через трубку и наблюдают, как шарик поднимается внутрь конуса 236
воронки, где создается пониженное давление. Слегка вибрируя, шарик удерживается там, пока идет струя воздуха. Вибрирование объясняется следующими периодически повто- ряющимися явлениями. Шарик, касаясь стенок воронки, прерыва- ет воздушный поток и начинает падать. В это время струя воздуха восстанавливается, давление между воронкой и шариком опять уменьшается и он снова втягивается вверх. 4. Полезно показать, как уменьшение давления над крышей дома при большой скорости ветра приводит к срыву крыши. Для этого изготавливают небольшую модель дома с картонной крышей, прикрепленной с помощью спицы лишь вдоль «конька» так, что обе части крыши могут свободно перегибаться вверху на гребне. Направляют воздушный поток от воздуходувки на крышу мо- дели и постепенно увеличивают его скорость (рис. 251). При этом та сторона крыши, которая обращена к воздуходувке, прижима- ется потоком, а другая при некоторой скорости потока приподни- мается и располагается горизонтально в направлении потока. ОпЫГП Парение шарика в воздушном потоке 101 Оборудование: 1) воздуходувка, 2) тренога’от универсального штатива, 3) шарик от настольного тенниса целлулоидный диаметром 30—35 мм и весом 1,5—2 Г, 4) химический стакан. Понижением статического давления в воздушном потоке (см. предыдущий опыт) объясняется парение в нем легкого целлулоид- ного шарика. Чтобы продемонстрировать этот опыт, устанавливают воздуходувку выходным отверстием вертикально вверх (рис. 252). Электродвигатель включают пока не на полное число оборотов. В установившийся воздушный поток вносят шарик на некотором расстоянии от выходного отверстия воздуходувки и отпускают его. Шарик парит (висит) в воздушном потоке. Демонстрацию этого опыта можно начать и несколько иначе. Не включая электродвигателя, положить шарик на спрямляющую решетку выходного отверстия воздуходувки. Затем включить ток и понемногу повышать напряжение до нормального. При этом скорость потока будет увеличиваться, а шарик постепенно под- ниматься и парить в воздухе. 237
Рис. 252. Шарик парит в воз- душном потоке Рис. 253. Шарик парит в наклонном воздушном потоке Далее медленно передвигают всю установку с воздуходувкой по столу. Шарик следует за потоком. Объясняют учащимся, что такое устойчивое положение шарика в воздухе создается благодаря наличию в потоке бокового умень- шенного статического давления. Атмосферное давление превышает статическое, что показано на рисунке 252, справа, стрелками. Вес шарика уравновешивается силой динамического давления. После этого, слегка ослабив винты крепления воздуходувки на кронштейне электродвигателя, медленно повертывают ее на некото- рый угол (до 45°) и наблюдают, как шарик продолжает висеть в воздухе при наклонном направлении потока. В этом случае вес ша- рика Р уравновешивается подсасывающим действием струи пото- ка (сила F^ и динамическим давлением (сила А, рис. 252, слева). В заключение полезно продемонстрировать образование обла- сти пониженного давления при суживании воздушного потока с помощью какого-либо изогнутого предмета, например поверхности химического стакана. Подносят с противоположной стороны по- тока боковой поверхностью литровый химический стакан (рис. 253). Постепенно приближая его к шарику, наблюдают, как последний притягивается к стакану: с уменьшением сечения потока увеличи- вается скорость, уменьшается давление и шарик втягивается в эту область. 238
Ударившись о стенку стакана, шарик прерывает поток и отскаки- вает; опять образуется узкий поток с уменьшенным давлением, куда вновь втянется шарик, и т. д. В результате будет издаваться доста- точно громкий звук от сравнительно частых ударов шарика по стакану. В описанных опытах вместо целлулоидного шарика можно при- менять самодельный легкий шарик из корковой пробки, обточив ее сначала напильником, а затем мелкой наждачной бумагой. Опыт Гидравлический таран 102 Оборудование: 1) модель гидравлического тарана, 2) штатив универсальный, 3) воронка стеклянная, 4) две резиновые трубки: одна дли- ной 50 см, другая 20—30 см с краном на конце, 5) тройник, О) стеклянная трубка длиной 50—60 см с оттянутым наконечником, 7) кювета, 8) стакан с подкрашенной водой. Явление гидродинамического удара находит практическое при- менение в гидравлическом таране, автоматически поднимающем воду на значительную высоту. Продемонстрировать принцип действия водяного тарана можно на простой самодельной установке (рис. 254). Для этого укрепляют на штативе воронку, соединенную резиновой трубкой с тройником и стеклянной трубкой, как показано на рисунке. На свободный ко- нец тройника надевают короткую резиновую трубку с краном, ко- торый направляют в кювету. Закрывают кран и наливают воду в воронку, наблюдают одина- ковые установившиеся уровни воды в воронке и трубке. Затем пе- риодически на короткое время открывают и закрывают кран. В мо- менты перекрытия потока вода по вертикальной трубке поднимается вверх и выбрасывается из узкого конца на заметно большую высо- ту по сравнению с уровнем в воронке. Вертикальную трубку на тройнике следует поставить так, чтобы вода из нее попадала опять в воронку. Объясняют учащимся, что разность уровней в данном опыте образуется за счет превращения кинетической энергии выте- кающей из воронки воды в энергию потенциальную. После такой предварительной демонстрации показывают дей- ствие автоматически работающей модели гидравлического тарана (рис. 255). Модель состоит из небольшого водонапорного бака 1 (емкостью около 1 л) с вертикальной водоотводной трубкой 2 и пластины из органического стекла с горизонтальным каналом 3. Канал соединен с баком, затем с небольшим резервуаром 4 и име- ет отверстие для стока воды, которое закрывается подъемным клапа- ном 5. В резервуар сверху через отверстие плотно вставлена рези- новая пробка с тонкой металлической- трубкой 6. Трубка на конце 239-
Рис. 254. Установка для демонст- рации принципа действия водяно- го тарана 5 7 Рис. 255. Действующая модель гидравлического тарана загнута и для большей устойчивости прикреплена пружинящим за- жимом к баку. Внизу резервуара укреплен небольшой плоский клапан 7 из тонкой прокладочной резины. Этот клапан закрывает отверстие, соединяющее резервуар с горизонтальным каналом, и может пропускать воду только вверх. В собранном виде высота прибора около 50 см. Для проведения демонстрации закрепляют прибор в лапке штатива на высоте приблизительно 10 см от стола, чтобы подставлен- ная для стока воды кювета не загораживала основную часть при- бора. Наполняют бак водой и, когда прибор придет в действие, дают объяснения. Вода из бака поступает по горизонтальному каналу в выход- ное отверстие. Ее скорость увеличивается настолько, что клапан 5 поднимается и быстро закрывает выходное отверстие. При этом в канале произойдет гидродинамический удар, давление резко уве- личится, откроется клапан 7 и вода с силой устремится сначала в резервуар, а затем в узкую трубку. После этого давление в канале упадет, клапан 7 закроется, а выходной клапан 5 под действием собственного веса откроется. Все придет в исходное положение, и процесс будет повторяться. 240
Вода, поднимаясь выше бака, выливается из загнутого конца трубки снова в бак непрерывной струйкой. Это объясняется тем, что в резервуаре 4 постепенно накапливается вода и сжимает находящийся там воздух. Создается избыточное давление, которое и гонит воду вверх в промежутки между гидродинамическими ударами. Следует объяснить учащимся, что в бак возвращается лишь не- значительная часть воды, а большая часть выливается наружу и в дальнейшей работе гидравлического тарана участия не принима- ет. Поэтому к. п. д. таких установок сравнительно мал (в среднем составляет 0,3—0,4). Однако простота и дешевизна конструкции, безотказность в работе, очень малые эксплуатационные расходы делают гидравлический таран ценной машиной для водоснабже- ния колхозов, совхозов и других предприятий, где имеется доста- точный запас воды при относительно небольшом начальном напоре. ПЫШ Устройство и действие гидротурбины 103 Оборудование: 1) турбина водоструйная, 2) магнитоэлектриче- ская машина, 3) стойка с тремя маловольтными лампочками, 4) два резино- вых шланга, 5) ремень приводной, 6) провода соединительные — 2 шт., 7) струбцинка или гиря. Практическое использование энергии водяного потока в гидро- турбине для получения электрической энергии демонстрируется на установке, представленной на рисунке 256. Гидротурбина, вы- пускаемая Главучтехпромом, по своему устройству напоминает промышленную турбину активного типа, где используется кинети- ческая энергия струи большой скорости. Через боковые стеклян- ные стенки кожуха достаточно хорошо видно рабочее колесо /, снабженное лопатками специальной формы в виде сдвоенных полу- цилиндров, имеющих острое ребро посередине. Струя воды из во- Рис. 256. Установка для демонстрации действия гидротурбины 241
Рис. 257. Струя воды в лопат- ках гидротурбины допровода поступает в турбину через сопло 2 и выливаете^ через патрубок 3 в раковину со сливом. Струя направляется почти по касательной к ободу колеса, раз- резается средним ребром лопатки и отклоняется в обе стороны, из- меняя свою скорость по величине и направлению (рис. 257). При та- кой форме лопаток обеспечивается безударное поступление струи: вода скользит по лопаткам, теряет скорость и отдает колесу свою ки- нетическую энергию, за счет чего и работает турбина. Для приведения в действие электрического генератора (магни- тоэлектрической машины) на шкив турбины и генератора надевают приводной ремень. Чтобы обеспечить необходимое натяжение рем- ня и устранить проскальзывание, генератор полезно укрепить на столе струбцинкой или поставить на его основание тяжелую гирю (2—5 кГ). К зажимам генератора присоединяют стойку с маловольт- ными лампочками (2,5—3,5 в). После этого пускают воду и наблю- дают, как вращается турбина, приходит в действие электрический генератор и светятся лампочки. Нагрузку установки можно изме- нять, включая постепенно 1, 2 и 3 лампочки. § 2. ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ. ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ ПОТОКИ. ДВИЖЕНИЕ ТЕЛ В ЖИДКОСТИ И ГАЗЕ Опыт Внутреннее трение в жидкости 104 Оборудование: 1) круглая ванночка из органического стекла или кристаллизатор стеклянный, 2) проекционный аппарат с приспособле- нием для горизонтального проецирования, 3) машина центробежная с диском, 4) диск картонный на нитяном подвесе, 5) штатив универсальный, 6) гребен- ка из грифелей химического карандаша. 1. Наличие внутреннего трения в жидкости удобно демонстри- ровать в горизонтальной диапроекции с прибором, показанным на рисунке 258. Ванночку диаметром 90 мм и высотой 25 мм с прозрач- ным дном из органического стекла ставят на стеклянную пластинку 242
Рис. 258. Прибор для демонстрации внутреннего трения в жидкости размером приблизительно 160Х 160 мм. С^изу в центре дна ванночки имеется неболь- шое углубление, а в стек- лянной пластинке — ось, на которую и устанавливается ванночка, чтобы при ее по- вороте не было боковых сдви- гов. Перед опытом ванночку почти до краев заполняют водой и помещают на проек- ционный аппарат (рис. 259). При помощи объектива с оборотной призмой получают на экране отчетливое изображение поверхности воды, фокусируя, например, плавающий на ней клочок бумажки. Затем выжидают 1—2 мин, пока движение воды не прекратится. Начинают опыт с того, что на поверхность воды наносят ряд точек грифелем химического карандаша. С этой целью погружают Рис. 259 Демонст- рация внутреннего трения в жидкости 243
острозаточеный грифель в воду на несколько миллиметров и аккуратно вынимают в вертикальном направлении. При этом на поверхности воды остается хорошо заметная цветная точка. Такие отметки в количестве 5—6 штук делают по радиусу, начиная от стенки ванночки, через каждые 4—5 мм (рис. 259, а). Если точки бы- стро расплываются, то на воду надо пустить несколько капель спирта. Для удобства нанесения сразу нескольких меток полезно из- готовить простую гребенку с 5—6 грифелями (рис. 260). На пластин- ке 1 из пластмассы делают небольшие направляющие углубления для грифелей 2 и прижимают их при помощи резинового кольца 3. При хранении грифели вдвигают полностью по ширине пластинки и тем самым предохраняют их заостренные концы. После того как метки нанесены, повертывают равномерно ван- ночку вокруг оси на 1—2 оборота и наблюдают на экране, как после- довательно от слоя к слою приходят в движение метки на воде: сначала первая от стенки, затем вторая, третья и т. д. (рис. 259, б). Объясняют учащимся, что слой жидкости, непосредственно прилегающий к стенке ванночки, увлекается ею при вращении. Но благодаря наличию сил молекулярного сцепления и переносу количества движения молекулами жидкости наблюдается посте- пенная передача движения от слоя к слою. После остановки ванноч- ки обращают внимание на обратный процесс — посте- пенное торможение жидко- сти, которое благодаря на- личию внутреннего трения также передается от слоя к слою. Для этого опять нано- сят вдоль прямой по радиу- су несколько меток и наб- людают, что теперь метки располагаются иначе (рис. 259, б): стенке второй когда ближайший к слой остановился, заметно затормозил- Рис. 260. Гребенка из грифе- Рис. 261. Обнаружение внутреннего тре- лей химического карандаша ния в воздухе 244
ся, а третий, четвертый и т. д. пока продолжают сохранять свою скорость. 2. Демонстрацию внутреннего трения в воздухе обычно показы- вают с легким картонным диском, подвешенным на нити к штативу (рис. 261). Под диском устанавливают в центробежной машине металлический диск (дисковая сирена) на расстоянии приблизи- тельно 1,5—2 см. Приводят нижний диск во вращение и наблюда- ют, как благодаря наличию сил внутреннего трения в слоях возду- ха, находящегося между дисками, верхний картонный диск повер- тывается, закручивая нить подвеса. Для удобства наблюдения за поворотом картонного диска на него полезно приклеить небольшую белую полоску бумажки — флажок 1 — и следить за тем, чтобы диск в начале опыта был обращен этой меткой в сторону учащихся. Опыт 105 Распределение скоростей в потоке жидкости и газа Оборудование: 1) прибор для демонстрации распределения ско- ростей в потоке жидкости, 2) проекционный аппарат, 3) склянка с тубусом внизу, 4) две резиновые трубки: одна длиной 50 см с пробкой для присоеди- нения к тубусу, а другая 30 см сливная с краном или винтовым зажимом па конце, 5) подъемный столик, 6) кювета для слива воды, 7) воздуходувка, 8) микроманометр с трубкой Пито, 9) штатив универсальный, 10) линейка демонстрационная. 1. Прибор (рис. 262) представляет собой толстостенный цилиндр диаметром 30 мм и длиной 120 мм, изготовленный из прозрачного органического стекла наподобие цилиндра воздушного огнива. Внутри цилиндра по всей его длине просверлен потоковый канал диамет- ром 10 мм. По краям прибор имеет ввертывающиеся ниппели для присое- динения резиновых трубок. Цилиндр укрепляется на опорном стержне, ко- торый служит для установки прибо- ра в рейтере проекционного аппарата или на стойке вовремя хранения. Сверху в стенке цилиндра сделано отверстие на расстоянии приблизи- тельно 25 мм от края. Отверстие имеет сначала диаметр 3 мм (на глу- бину приблизительно 7 мм), а даль- ше, к выходу в потоковый канал, Рис. 262. Прибор для демон- страции распределения ско- ростей в потоке жидкости (в овале—держатель с грифелем) диаметр—1,5 мм. В это отверстие ввертывается держатель 2 с остроза- точенным небольшим отрезком гри- феля от химического карандаша так, 245
Рис. 263. Демонстрация распределения скоростей в потоке жидкости чтобы грифель входил в узкую часть отверстия. В своей широкой части отверстие имеет нарезку и может завинчиваться держателем без грифеля, когда прибор применяется в других опытах и во вре- мя хранения. Для проведения опыта устанавливают прибор в рейтере проек- ционного аппарата вблизи конденсора (рис. 263). К входному нип- пелю присоединяют резиновую трубку от склянки с водой, а на выходной надевают сливную трубку с краном, который направля- ют в кювету. После заполнения потокового канала водой получают на экране при помощи объектива с оборотной призмой отчетливое изображение прибора. При этом потоковый канал с жидкостью хо- рошо просвечивается по всей ширине и четко выделяется потому, что стенки цилиндра проецируются на экран темными. Опыт проводят в следующей последовательности. Слегка по- вертывают от руки держатель с грифелем и наблюдают, как попе- рек канала опускается прямая тонкая цветная линия от частичек грифеля, спадающих вниз (рис. 263, а). Затем немного приоткры- вают кран, создавая движение жидкости в приборе, и наблю- дают, как прямая линия вытягивается в своей средней части, где 246
скорость больше, /г постепенно загибается к стенкам, где скорость ми- нимальна. Объясняют учащимся, что слой жидкости, непосредственно прилегающий к стенкам, благодаря молекулярному взаимодей- ствию прилипает к ним и практически не движется. Следующий слой скользит относительно этого прилипшего слоя, а последующие слои имеют еще большие скорости. Вследствие перемещения моле- кул из одного слоя в другой происходит постепенное изменение скоростей, что хорошо видно по характерной кривой для распре- деления скоростей в потоке жидкости (рис. 263, б). Если останав- ливать поток, закрывая понемногу кран, можно увидеть, как заме- дление происходит сначала в слоях, лежащих ближе к стенкам ка- нала, и «язык» скоростей еще больше вытягивается в средней части. Прибор позволяет повторять опыт несколько раз. Перед повто- рением очищают канал от окрашенной жидкости, быстро пропу- ская через него воду. 2. О распределении скоростей в воздушном потоке можно су- дить по распределению давлений в этом потоке, давления же лег- ко измеряются микроманометром с трубкой Пито в качестве датчи- ка (рис. 264). При этом трубку Пито, закрепленную в муфте шта- тива, располагают на расстоянии 15—20 см от выходного отвер- стия воздуходувки так, чтобы ее открытый конец был направлен навстречу потоку, а горизонтальная часть трубки скользила вдоль шкалы линейки. Затем пускают воздуходувку и начинают пере- мещать трубку, например, снизу вверх, вводя ее в поток. Когда микроманометр покажет давление, например, 0,5 мм водяного стол- ба, устанавливают точнее линейку до совпадения с трубкой какого- либо деления шкалы. Затем перемещают трубку дальше в поток и через каждый 1 см записывают показания микроманометра. Напри- мер: 0; 0,5; 2; 4; 6; 6; 4; 2; 0,5; 0. Рис. 264. Установка для изучения распределения давле- ний в воздушном потоке 247
Рис. 265. График распределе- ния скоростей в воздушном потоке После этого, воспользовавшись соотношением между динамическим / pv3 \ давлением и скоростью (р = I и принимая во внимание, что стати- ческое давление в свободной воздуш- ной струе мало отличается от атмос- ферного, вычисляют соответствую- щие значения скоростей. По найден- ным значениям строят график рас- пределения (рис. 265), где наглядно представляется постепенное увели- чение скорости воздушного потока по мере удаления от его границ к се- редине. Чтобы сократить время и не делать всех вычислений, .полезно заранее составить небольшую табличку перевода и воспользовать- ся ею при обработке результатов опыта. В табличке должны быть показаны давления в пределах от 0,5 до 10 мм вод. ст. и соответ- ствующие им скорости, выраженные в метрах в секунду, как по- казано ниже в качестве примера. р, мм вод. ст. 0,5 1 2 3 ' 4 5 6 7 8 9 10 v, м/сек 3 4 6 7 8 9 10 10,6 11 12 12,6 U П Ы ГП Ламинарное и турбулентное движение жидкости и газа 106 Оборудование: 1) прибор для демонстрации ламинарного и турбулентного течения жидкости, 2) проекционный аппарат, 3) склянка ем- костью 2 л с тубусом внизу, 4) подъемный столик, 5) резиновые трубки: одна 50 см с пробкой для присоединения к тубусу, другая 30 см сливная с краном или винтовым зажимом на конце, 6) кювета для стока воды, 7) цилин- дрическая линза длиной 120 мм, 8) воздуходувка, 9) нитяной зонд. 1. Для демонстрации ламинарного (упорядоченного, слоистого) течения жидкости и перехода его при увеличении скорости потока в турбулентное (неупорядоченное) промышленностью выпускает- ся специальный прибор (рис. 266). Он изготовлен из прямоуголь- ной пластины органического стекла размером 120x27x18 мм и во время опыта проецируется на экран. Цилиндрический канал, в котором создается поток воды, имеет диаметр 10 мм и за: канчивается ниппелями для надевания резиновых трубок. В один 248
Рис. 266. Прибор Главучтех- прома для демонстрации лами- нарного и турбулентного те- чения жидкости из ниппелей (входной; он легко вы- вертывается) вставлен простой латун- ный держатель; в нем укрепляется грифель от цветного химического ка- рандаша. Такой грифель легко раст- воряется в воде и служит красите- лем во время опыта. Прибор снаб- жен стержнем для установки в рейтере проекционного аппарата или в под- ставке во время хранения. Перед проведением опыта помеща- ют прибор у конденсора проекцион- ного аппарата (рис. 267), и при помо- щи объектива получают на экране четкое изображение очертаний при- бора при некоторой размытости изоб- ражения канала1. К входному ниппе- лю присоединяют трубку от склянки, которую устанавливают на подъемном столике. На выходной ниппель надевают сливную труб- ку с краном и направляют ее в кювету для стока воды. Воду для данного опыта желательно брать подогретую (30—40°): в теплой воде карандаш растворяется лучше и окрашивание получается более интенсивным и наглядным. После этого постепенно открывают кран и наполняют прибор водой. При определенной небольшой скорости течения (вода из крана вытекает слабой струйкой) на экране наблюдают прямую устойчивую цветную линию тока, характерную для ламинарного течения. Затем медленно увеличивают скорость течения, открывая постепенно кран. При некоторой скорости, близкой к критической, легкое постукивание по прибору приводит к возмущению линий тока и распространению этого возмущения по потоку. При даль- нейшем постепенном увеличении скорости течения воды у стенок канала возникают завихрения, линия тока разрывается, происхо- дит перемешивание всей жидкости (турбулентность). Если уменьшать постепенно скорость струи, то опять восстанав- ливается ламинарное течение и цветная линия тока устанавливает- ся в горизонтальном направлении. Описанный прибор имеет существенный недостаток: цилиндри- ческий канал проецируется на экран в виде узкой светлой полоски с широкими затемнениями по бокам и цветная линия тока во время опыта часто уходит в затемненную часть канала, особенно при тур- булентном потоке. Чтобы улучшить видимость по всему каналу, следует восполь- зоваться цилиндрической линзой, которую можно изготовить са- 1 Пользоваться оборотной призмой и получать на экране прямое изобра- жение в этом опыте не обязательно. 249
модельно. Надо выточить из органического стекла цилиндр длиной 120 мм, диаметром 20 мм, распилить его вдоль на две половинки и поверхности одной из них хорошо отшлифовать. Полученную таким образом цилиндрическую линзу прикладывают плоской сто- роной к боковой стенке прибора (выпуклость обращают в сторону объектива) и укрепляют при помощи резиновых колечек, кото- рые надевают по краям прибора. При такой добавочной линзе весь канал хорошо просвечивается и видимая часть его становит- ся шире. Значительно лучшие получаются результаты, если воспользо- ваться толстостенным цилиндром, описанным в предыдущем опыте. В этом случае без применения линзы на экране образуется отчет- ливо видимый светлый потоковый канал по всей его ширине, огра- ниченный темными стенками. Поэтому во время опыта хорошо вид- на цветная линия тока при ламинарном течении и завихрения жид- кости при турбулентном движении (рис. 268). 2. Демонстрацию расположения линий тока в воздушном по- токе проще всего можно провести с нитяным зондом (рис. 269), Рис. 267. Установка прибора в проекционном аппа- рате Рис. 268. Изоб- ражение на эк- ране: а—ламинарное те- чение, б—турбу- лентное 250
1 3 помещенным перед выходным отверстием воздуходувки на расстоя- нии 15—20 см. Нитяной зонд легко изготовить из мягких шерстяных нитей 1 (лучше белых) длиной 20—25 см, укрепив их на проволочном дер- жателе 2 на расстоянии около 1 см друг от друга. Включив воздуходувку не на полное число оборотов, вносят в поток зонд и наблюдают, как нити выпрямляются и располагают- ся в направлении линий тока параллельно друг другу, что характер- но для ламинарного потока (рис. 269, а). При турбулентном режиме потока нити начинают неравномерно колебаться, принимая криволинейное расположение. А в турбулент- ном воздушном потоке за преградой — пластинкой 3, укрепленной на стержне и расположенной перпендикулярно направлению по- тока, нити принимают форму, показанную на рисунке 269, б. Обра- щают внимание учащихся, как концы нитей за пластинкой втягива- ются в направлении, противоположном потоку, что указывает на завихрения в этой области потока. UПЫШ Падение давления в жидкости, текущей по трубе одинакового сечения Оборудование: 1) прибор с каналом одного сечения и маноме- трическими трубками, 2) проекционный аппарат, 3) склянка емкостью 2 л с тубусом внизу, 4) подъемный столик, 5) резиновые трубки: одна 50 см с пробкой для присоединения к тубусу и с крапом на конце, другая 30 см слив- ная с винтовым зажимом на конце, 6) кювета для стока воды.
Рис. 270. Прибор для демонстрации падения давления Влияние сил внутреннего трения или вяз- кости жидкости на распределение давления, когда она течет вдоль трубы постоянного се- чения, демонстрируется на специальном при- боре (рис. 270). Он изготавливается промыш- ленностью из органического стекла и предназ- начается для проецирования на экран: размеры прибора соответствуют конденсору диаметром 115 мм. Цилиндрический сосуд высотой 100 мм и диаметром приблизительно 28 мм соединен внизу с горизонтальным каналом — трубой. Канал имеет одинаковое сечение по всей длине (диа- метр 4 мм) и оканчивается ниппелем для стока воды. От горизонтального канала отходят на равных расстояниях друг от друга четыре верти- кальные манометрические трубки диаметром 3 мм. Прибор снабжен металлическим опорным стержнем для установки в рейтере проекцион- ного аппарата или в подставке во время хране- ния. Для проведения опыта устанавливают при- в жидкости, теку- бор перед конденсором проекционного аппарата щей по трубе од- и при ПОМОщИ объектива с оборотной призмой ного сечения , г х „ (или плоским зеркалом) получают на экране прямое изображение (рис. 271). На выходной ниппель надевают резиновую трубку с винтовым зажимом на конце. Устанавливают склянку с водой на подъемном столике и рези- новую трубку с краном направляют в цилиндрический резервуар прибора. При этом на трубку полезно надеть небольшой стеклян- ный патрубок, который опускается прямо на дно цилиндра. Начинают опыт с наполнения прибора водой. Для этого медлен- но открывают кран при закрытом винтовом зажиме на конце слив- ной трубки. Обращают внимание учащихся, что пока течения жид- кости в горизонтальном канале нет, уровни в манометрических трубках находятся на одинаковой высоте. Затем открывают винтовой зажим почти полностью. Одновре- менно открывают кран так, чтобы приток и убыль воды были оди- наковыми и ее уровень в резервуаре оставался бы неизменным. Теперь при установившемся потоке наблюдают за расположением уровней жидкости в манометрических трубках. На экране отчет- ливо видно понижение давления от трубки к трубке в направлении течения (рис. 271, вверху). Объясняют учащимся, что благодаря наличию вязкости жид- кости часть энергии потока расходуется на совершение работы по преодолению сил внутреннего трения и превращается в энергию 252
Рис. 271. Демонстрация падения давления в жидкости, те- кущей по трубе одного сечения молекулярно-теплового движения (внутреннюю энергию). Под- черкивают при этом, что чем больше длина трубы, тем больше рас- ход энергии и тем больше падение давления. Течение жидкости всегда связано с необходимым условием — наличием разности дав- ления. Опыт Обтекаемость тел разного профиля 108 Оборудование: 1) прибор для демонстрации явления обтекания с набором тел разной формы, 2) проекционный аппарат с приспособлением для горизонтального проецирования. Прибор для проецирования на экран явления обтекания тел разного профиля представляет собой небольшую металлическую ванну с прозрачным стеклянным дном (рис. 272). В ней помещены продольные перегородки 1 и направляющие дуги 2. Между стенка- ми ванны и перегородками вставляются два колеса с лопатками 3, насаженные на одну ось. Колеса можно вращать при помощи ру- 253
Рис. 273. Установка прибора для проецирования на экран Рис. 272. Прибор для демонстрации обтекания тел разного профиля коятки и перегонять ими воду в среднюю часть прибора 4, которая служит каналом для испытания. К прибору прилагается на- бор тел 5, имеющих разную фор- му: цилиндр, параллелепипед, полукольцо, хорошо обтекаемое тело, профиль крыла самолета, состоящий из двух частей. Для проведения опыта собирают установку по рисунку 273. На дно ванны ставят какое-либо тело, например цилиндр, и нали- вают воду выше поверхности тела на 1—2 мм. В воду пускают лег- кие нерастворимые порошки, например, тертую пробку, ликопо- дий, тальк, пиретрум, или создают осадок мелких частиц химиче- ским путем. Прибавляют к воде, например, несколько кубических сантиметров медного купороса и несколько капель едкого калия. Получают мелкие частицы меди, взвешенные в прозрачной жид- кости. При помощи объектива с оборотной призмой проецируют на экран поверхность тела и добиваются отчетливого изображения его профиля. Затем приводят колеса в медленное вращение так, чтобы вода сначала попадала в направляющие дуги, а потом в ка- нал. Дуги регулируют направление движения и позволяют полу- чить необходимый равномерный поток. Наблюдают на экране кар- тину обтекания. Меняя поочередно тела в ванне, получают на экране картины, показанные на рисунке 274. Устанавливают, что в зависимости от 251
Рис. 274. Картина обтекания тел с различным профилем формы тела в одних случаях образуются завихрения и, следователь- но, создается большое сопротивление движению, а в других — за- вихрения почти отсутствуют. Становится понятно, почему на всех видах транспорта, движущихся с достаточной скоростью, объектам придается обтекаемая форма. U П Ы ГП Измерение скорости воздушного потока анемометром 109 Оборудование: 1) анемометр ручной чашечный, 2) воздуходув- ка, 3) секундомер или метроном, 4) эпидиаскоп. Для измерений скорости воздушных потоков применяются раз- личного типа анемометры, действие которых основывается на ме- ханических или термоэлектрических процессах. Целью данной де- монстрации является ознакомление учащихся с устройством и дей- ствием одного из распространенных в метеорологии чашечных ане- мометров (рис. 275). Приемной частью прибора является четырехчашечная вертушка 1, лопасти (чашки) которой представляют полусферы, обращенные вогнутостью в одну сторону. Испытывая со стороны потока неоди- наковое давление, полусферы приходят во вращение со скоростью, пропорциональной величине скорости потока. Вращение вертушки передается через червячный механизм зубчатым колесам счетного механизма, заключенного в пластмассовом корпусе 2. Циферблат 255
счетного механизма имеет три шкалы, пока- зывающие единицы, сотни и тысячи оборотов. Сбоку корпуса счетного механизма имеется арретир 3 для включения и выключения меха- низма. По обе стороны арретира в корпус ввер- нуты два неподвижных ушка 4, которые слу- жат для продевания шнурка, когда прибор приходится включать и выключать на расстоя- нии (для измерения скорости ветра анемометр обычно поднимают над поверхностью земли). Для крепления на шесте прибор имеет шуруп 5. После ознакомления учащихся с общим ви- дом анемометра его циферблат проецируют на экран при помощи эпидиаскопа и объясняют, как читаются показания по шкалам. Снятое показание прибора записывают, что необходимо для продолжения опыта. Рис.275. Чашеч- На демонстрационном столе устанавливают ный анемометр воздуходувку (фен или настольный вентилятор). На расстоянии приблизительно 30—50 см от нее, где воздушный поток заметно расширяется, помещают на треноге универсального штатива анемометр (рис. 276). Для этого на шуруп прибора предварительно навертывают небольшой деревянный стержень. Чашки анемометра располагают так, что- бы они были полностью охвачены воздушным потоком. Пускают воздуходувку и некоторое время наблюдают за вра- щением вертушки. Затем включают секундомер (или метроном, установленный на промежутки времени в 1 сек) и одновременно счетный механизм анемометра. По истечении 0,5—1 мин выклю- чают счетный механизм и останавливают воздуходувку. Снова проецируют циферблат прибора на экран, производят отсчет и записывают новое показание. Разделив разность показа- ний на время, получают число делений в 1 сек. Так, если в начале опыта было записано по всем шкалам число 2357, а после опыта за пСп7 2627—2357 п делений время 30 сек число 2627, то --------= 9---------. 30 сек Рис. 276. Установ- ка для определе- ния скорости воз- душного потока анемометром 256
Рис. 277. График для определения скорости воздушного потока по показаниям анемо- метра Далее определяют скорость воздушного потока по графику, прилагаемому к прибору (рис. 277). График проецируют на экран через /пидиаскоп. По вертикальной оси находят число делений счетчика анемометра в 1 сек, а по горизонтальной — соответст- вующую ему скорость воздушного потока в м/сек. Так, в данном опыте получают скорость, равную 9 м/сек. В заключение можно напомнить учащимся о другом методе определения скорости — по динамическому давлению (см. опыт 105). Если располагать трубку Пито в том же месте неизменного воздушного потока, где находилась и приемная часть анемометра, то скорости в обоих случаях будут приблизительно одинаковыми.' П Ы ГП Расположение диска в воздушном потоке 110 Оборудование: 1) диск на вертикальной оси, 2) воздуходувка. Для этого опыта вырезают из тонкой жести или листового алю* миния диск Диаметром приблизительно 100 мм. С двух сторон диска (сверху и снизу) оставляют небольшие ушки, которые отги- бают под прямым углом к его плоскости. Нижнее ушко имеет от- верстие; через него свободно проходит ось из стальной проволоки диаметром 1,5—2 мм. В верхнем же сделано углубление (опора), в которое входит заостренный конец оси. Таким образом, диск с очень небольшим трением может вращаться вокруг вертикальной 9 Заказ 480
Рис. 278. Диск располагается перпенди- кулярно воздушному потоку последней. оси, которую укрепляют в треноге универсального шта- тива (рис. 278). Перед опытом помещают диск на расстоянии, прибли- зительно равном 0,5 м, от воздуходувки и так, чтобы его центр был на оси выход- ного отверстия Пускают воздуходувку и наб- людают, как диск после нес- кольких колебаний распола- гается вопреки ожиданию перпендикулярно воздушному потоку. Если повернуть диск на некоторый угол и отпустить, то он снова возвращается в исходное положение, которое оказывается для него наиболее устойчивым. Такое явление объясняется тем, что при всяком ином расположении диска, т. е. под некоторым углом к потоку, обтека- ние диска воздухом происходит несимметрично. Это вызывает раз- ность давлений на передней и задней поверхностях, влекущую за собой появление крутящего момента, который возвращает диск в положение, перпендикулярное потоку. Если повернуть диск строго вдоль потока, то в этом случае давление на обе обтекаемые поверхности будет одинаковое, но положение все же неустойчивое. Вследствие малейших случай- ных толчков диск повернется хотя бы на небольшой угол. А это приведет к еще большему повороту, и диск снова займет перпенди- кулярное расположение к потоку. § 3. ЛОБОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. ЭФФЕКТ МАГНУСА. ПОДЪЕМНАЯ СИЛА КРЫЛА САМОЛЕТА. УПРАВЛЕНИЕ САМОЛЕТОМ Опыт Зависимость аэродинамического (лобо- вого) сопротивления от скорости воз- 111 душного потока, формы и сечения тела Оборудование: 1) аэродинамические весы с комплектом тел раз- ной формы, 2) воздуходувка. Исследование зависимости аэродинамического сопротивления от скорости потока проводят на установке с аэродинамическими весами (рис. 279). В держателе весов укрепляют круглую пластин- ку (диаметр 24 мм) и устанавливают весы в исходное положение: с помощью перемещающегося груза у противовеса добиваются совпадения указателя с верхней меткой, а стрелку на диске пере- водят па нулевое деление. 258
Располагают воздуходувку под пластинкой на расстоя- нии 20—25 см так, чтобы она полностью охватывалась пото- ком. Пускают воздуходувку сна- чала с небольшой скоростью и наблюдают, что вследствие воз- действия потока на испытуемое тело оно отклоняется и весы выходят из равновесия. Тогда при помощи вспомогательного рычажка на обратной стороне диска возвращают коромысло весов вместе с исследуемым те- лом в исходное положение, т. е. опять до совпадения указателя с отметкой. Стрелка на диске покажет в условных единицах величину аэродинамического сопротивления при данной ско- рости потока. Затем увеличивают скорость потока, меняя напряжение, по- даваемое на электродвигатель воздуходувки, и опять приводят чае показания стрелки на диске личением скорости потока при о Рис. 279. Установка для демонстрации аэродинамического сопротивления весы в равновесие. В этом слу- становятся больше, т. е. с уве- дном и том же сечении тела аэродинамическое сопротивление увеличивается. После этого закрепляют на весах другую круглую пластинку с площадью меньшей в 9 раз. Оказывается, что при той же скоро- сти воздушного потока величина аэродинамического сопротивле- ния теперь будет меньше приблизительно во столько же раз. Зависимость сопротивления от формы тела при одной и той же площади лобового сечения демонстрируют на тех же весах при неизменной скорости воздушного потока. Для этого в держателе весов последовательно укрепляют разные тела из прилагаемого комплекта. Каждый раз при об- дувании воздушным потоком весы выходят из равновесия, их возв- ращают в исходное положение и определяют величину сопротивле- ния. Полезно тела расположить в ряд с обозначением относитель- ной величины сопротивления, при- №11IIIIIIIIIIIIIII IIIII IIIII ' W 1.0 0.4 0.3 0,1 0.1 Рис. 280. Расположение тел раз- личной формы по их относитель- ному сопротивлению воздушному потоку 259
Рис. 281. Установка с упрощенными весами няв, например, сопротивление круглой пластинки за 1,0 (рис. 280). В таком порядке располагаются тела и в укладке, прилагаемой к прибору. Для наглядного сравнения показывают, что малая круглая пластинка имеет такую же величину сопротивления воз- душному потоку, как обтекаемое тело, которое по площади ло- бового сечения значительно больше. Описанные выше опыты можно продемонстрировать и с весами упрощенной конструкции. Для этого собирают установку, пока- занную на рисунке 281. На этой установке, кроме того, удобно показать зависимость аэродинамического сопротивления от поло- жения тела в потоке. С этой целью в держателе весов закрепляют круглую пластинку большего диаметра и рейтер располагают на нулевом делении. Включают воздуходувку и, направив поток пер- пендикулярно к пластинке, передвигают рейтер по рычагу, пока весы опять придут в равновесие. Положение рейтера по шкале по- казывает величину аэродинамического сопротивления. Затем, не меняя скорости потока, повертывают несколько раз пластинку под разным углом к потоку и поочередно определяют лобовое сопротивление, перемещая рейтер по рычагу до возвра- щения весов в равновесие. Величина сопротивления будет заметно меньше первоначального. При демонстрации зависимости аэродинамического сопротив- ления от формы тела на упрощенных весах опыт удобнее начи- нать с полушара, обращенного вогнутой поверхностью навстречу потоку. После того как это тело закреплено на весах и при поло- жении рейтера па пулевом делении весы уравновешены, переносят рейтер сразу на конец рычага. При этом весы выходят из равнове- сия. Теперь постепенно увеличивают скорость воздушного потока, направленного на испытуемое тело и добиваются того, чтобы весы пришли в исходное положение. Эта величина скорости потока и остается для опытов с другими телами набора. Они имеют мень- шее сопротивление воздушному потоку при данной скорости, поэтому положения рейтера не будут выходить за пределы шкалы прибора. зьи
Опыт Эффект Магнуса 112 Оборудование: 1) тележка легкоподвижная с вращающимся цилиндром, 2) воздуходувка, 3) цилиндр бумажный с матерчатой лентой, 4) рейка деревянная или указка. 1. Опыт проводится с легкоподвижпой тележкой с установлен- ным на пей вращающимся цилиндром (рис. 282). Легкий цилиндр 1 высотой 60 мм и диаметром 35 мм вытачивается из пластмассы или органического стекла. По краям цилиндра остаются высту- пающие бортики высотой 10—-15 мм, чтобы уменьшить обтекание воздуха у концов цилиндра н тем увеличить отклоняющую силу. Цилиндр насаживается на ось микроэлсктродвигателя 2, который приводится в движение от батарейки карманного фонаря 3, рас- положенной на платформе тележки. В электрическую цепь вклю- чается перекидной переключатель для изменения направления вращения цилиндра. Чтобы определить направление вращения цилиндра, на нем делают отметку, например проводят вертикальную черту мелом. Затем включают на короткое время электродвигатель, наблюдают за движением отметки и замечают соответствующее положение переключателя. Перед началом опыта тележку устанавливают па ровную по- верхность демонстрационного стола пли гладко выструганную доску, чтобы тележка могла легко катиться по горизонтальной поверхности. Сбоку под прямым углом к направлению движения тележки устанавливают воздуходувку на расстоянии 30—40 см. от цилинд- ра. Показывают учащимся, что при равномерном обтекании непод- вижного цилиндра воздушным потоком тележка остается на месте. После этого включают мпкроэлектродвигатель. Цилиндр при- Рис. 282. Демонстрация эффекта Магнуса с легко иодви.-Kiioii тележкой 261
Рис. 283. Демонстрация эффекта Магнуса с картонным цилиндром ходит в быстрое вращение в том же воздушном потоке, и тележка начинает двигаться перпендикулярно воздушному потоку. Если воздуходувку перемещать параллельно направлению движения тележки, можно наблюдать, как последняя следует за потоком вдоль стола. Интересно отметить, что тележка движется и при некотором остром угле между направлениями воздушного пото- ка и движения тележки, т. е. перемещается как бы навстречу потоку. Далее показывают изменение направления движения тележки при изменении направления вращения цилиндра, а затем при из- менении направления воздушного потока, когда воздуходувку располагают с противоположной стороны тележки. Объясняют учащимся, что вращающийся цилиндр вследствие наличия сил внутреннего трения увлекает прилегающие к нему слои воздуха. При этом с одной стороны цилиндра (справа на ниж- нем рисунке 282) направление движения слоя воздуха совпадает с направлением воздушного потока и скорость движения увеличи- вается. С противоположной же стороны (слева на нижнем рисун- ке 282) эти направления противоположны, что вызывает умень- шение скорости. Где скорость больше, давление понижено, и на- оборот. Следовательно, с двух сторон на цилиндр действуют неравные силы; их результирующая F, направленная перпендику- лярно к воздушному потоку, и обуславливает движение тележки (эффект Ма гн уса). 2. Возникновение силы, перпендикулярной потоку, при обте- кании вращающегося цилиндра можно продемонстрировать и с картонным самодельным цилиндром. Этот опыт после предыдущего лучше проводить как экспериментальную задачу. Цилиндр склеивается из тонкого картона или толстой прочной бумаги. Приблизительные размеры следующие: длина цилиндра 262
20—30 см, диаметр 4—5 см, выступающие бортики по краям высо- той 1—1,5 см. • Перед выполнением опыта наматывают на цилиндр матерчатую ленту длиной около 1,5 м, а свободный конец ленты прикрепляют к длинной рейке или указке. Цилиндр на столе располагают так, чтобы лента выходила снизу цилиндра (рис. 283). Перед учащимися ставится задача определить, как будет вести себя цилиндр, если привести рейку в быстрое поступательное дви- жение вдоль стола. Они должны сообразить, что цилиндр вместе с горизонтальным движением придет во вращение. Причем в этом случае в верхней части цилиндра потоки складываются (см. схему на рис. 283), а в нижней — вычитаются, благодаря чему и создает- ся разность давлений, обусловливающая подъемную силу F. Следовательно, цилиндр должен подниматься вверх. Производят опыт и наблюдают подъем цилиндра. Наматывают ленту так, чтобы она выходила сверху цилиндра, и снова решают эту задачу. Затем приводят в движение рейку в ту же сторону, расположив цилиндр недалеко от края стола. Ци- линдр заметно отклоняется вниз. Опыт Подъемная сила крыла самолета 113 Оборудование: 1) модель крыла па подставке, 2) воздуходувка, 3) микроманометр с трубкой-зондом, 4) аэродинамические весы. Модель крыла изготовляется из тонкой пластинки алюминия или жести размером 140 X 50 мм. Профиль крыла имеет верхнюю поверхность выпуклую и нижнюю плоскую. Для установки на подставке или на аэродинамических весах модель снабжена держа- 263
Рис, 285. Обнаружение подъемной силы крыла телем из проволоки диаметром 1,5 мм, изогнутой под прямым уг- лом. Один конец держателя вставляется в отогнутые ушки, рас- положенные по бокам модели, и является осью, совпадающей с центром тяжести. Свободный конец держателя имеет длину 105 мм п служит для установки прибора в подставке. Модель с достаточ- ным трением удерживается на держателе и может быть повернута вокруг оси. Для опыта прибор устанавливают на расстоянии 20—25 см от выходного отверстия воздуходувки (рис. 284). При этом обращают Рис. 286. Сравнение подъемной силы и лобового сопротивления крыла внимание учащихся, что нижняя плоскость параллельна воздуш- ному потоку (угол атаки равен нулю). Включают воздуходувку и трубкой-зондом, соединенным с микроманометром, определяют величину статического давления над крылом и под ним. Трубку- зонд располагают изогнутым кон- цом параллельно воздушному потоку сначала вблизи верхней поверхности крыла (на ее более выпуклой части) и наблюдают понижение давления на 4—5 мм вод. ст. против атмосферного. Затем переносят трубку-зонд под крыло и обнаруживают, что здесь давление почти равно ат- мосферному, а несколько ближе к задней кромке крыла даже выше атмосферного на 1—2 мм вод. ст. Таким образом убеждаются, что разность давлений над и под крылом обусловливает подъемную силу крыла. 264
Рис. 289. Летающий пропеллер простого устройства Рис. 288. Запуск летающего про- пеллера насадки, имеющейся в комплекте универсального электродвигателя, пропеллер прочно закрепляется на оси. Для крепления электродвига- теля надо в платформе просвер- лить отверстие по диаметру опор- ного стержня и сделать стопор- ный винт 3. Это позволяет доста- точно быстро и прочно закреплять электродвигатель на такой высоте, не задевал за рельсы. Включать электродвигатель в чтобы пропеллер при вращении сеть следует длинным гибким проводом, чтобы обеспечить свободное передвижение тележки, и электропитание производить через ЛАТР. Тогда можно регули- ровать величину подаваемого напряжения и тем изменять скорость вращения воздушного винта. Опыт проводят в следующей последовательности. Сначала включают электродвигатель и наблюдают, как тележка под дейст- вием силы тяги винта приходит в равноускоренное движение. За- тем, воспользовавшись динамометром 4, который закрепляют на платформе тележки, определяют величину силы тяги при враще- нии воздушного винта с различной скоростью. Объясняют учащимся, что в сечении форма лопасти воздушного винта сходна с профилем крыла самолета (рис. 287, наверху). При вращении винта его лопасти обтекаются потоком воздуха, подоб- но тому как обтекается потоком движущееся крыло самолета. И здесь возникает сила, приложенная со стороны воздуха к каж- дой лопасти. Составляющая этой силы, направленная вдоль оси винта, и является силой тяги. Сумма сил тяги отдельных лопастей дает общую силу тяги пропеллера. Воздушный винт, вращающийся вокруг вертикальной оси, ис- пользуется в вертолетах. Сила тяги, направленная вверх, уравно- 266
вешивает вес вертолета, заменяя подъемную силу крыла. Для демонстрации этого явления удобно воспользоваться распростра- ненной игрушкой «летающий пропеллер» (рис. 288). Трехлопаст- ный пропеллер 1 с оградительным кольцом, изготовленный из пластмассы, свободно надевается сверху на вертикальную ось 2, которая с помощью шнурка 3 приводится вместе с пропеллером в быстрое вращение. Лопасти пропеллера имеют специально вы- полненный профиль и расположены под некоторым положитель- ным углом атаки. Благодаря этому при вращении развивается сила тяги, достаточная для подъема пропеллера на значительную высоту. По мере уменьшения скорости вращения пропеллер плавно опускается. Внутри рукоятки помещается резиновый жгут, благодаря ко- торому шнурок после запуска сразу же снова наматывается на ось. Это дает возможность без потери времени повторить опыт. Вертикальный подъем пропеллера можно продемонстрировать и с помощью простого самодельного прибора (рис. 289). Материа- лом для изготовления служит легкое сухое дерево. Прибор за- пускается в воздух простым вращением рукоятки (стерженька) между ладонями рук. Управление самолетом 115 Оборудование: 1) схематическая модель системы управления самолетом, 2) модель самолета, уравновешенная на стопке, 3) воздуходувка. Ознакомление учащихся с системой управления само- летом (рули управления и элероны) полезно сопровож- дать демонстрацией простой самодельной модели (рис. 290). Изготовляют модель из доступных материалов (дере- вянные рейки, фанера или картон) достаточно крупных размеров: длина приблизи- тельно 45 см, размах крыль- ев 45 см. Сначала показывают рули управления, расположенные в хвостовой части самолета: 6 Рис. 290. Схематическая модель системы управления самолетом 267
Рис. 291. Демонстрация действия рулей управления у самолета руль направления 1 и руль вы- соты 4. Первый приводится в движение при помощи ножных педалей 2, соединенных с ру- лем тросами 3. Второй пред- ставляет собой продолжение горизонтально расположенного стабилизатора и повертывается рычагом-рукояткой 5. Если пе- ревести ручку вперед от себя, то руль высоты опускается, а потянуть ручку к себе — под- нимается, что соответствует снижению или подъему само- лета во время полета. Далее показывают элероны 6, которые расположены у задних кромок крыльев, являясь их продолжением. Элероны повертыва- ются одновременно и при этом в разные стороны (один вверх, дру- гой вниз) при помощи того же рычага-рукоятки (или штурвала), который управляет рулем высоты. При отклонении штурвала, на- пример вправо, элерон на левом крыле опускается, а на правом — поднимается. Подъемная сила крыла с опущенным элероном возра- стает, а с поднятым элероном уменьшается, что вызывает поворот самолета вокруг продольной оси. Для демонстрации действия рулей управления и элеронов удобно воспользоваться небольшой моделью самолета, уравнове- шенной на стойке (рис. 291). Модель имеет следующие размеры: длина приблизительно 15 см, размах крыльев 8—10 см, ширина хвостового оперения 6,5 см, высота киля 4 см. В центре тяжести модель опирается на стойку, оканчивающуюся стальным острием. Благодаря небольшому перемещающемуся балансиру модель можно уравновешивать при любом положении рулей управления. Рис. 292. Действие рулей направления (а), высоты (б) и элеронов (s) 2 68
Чтобы прибор лучше выделялся на черном фоне классной доски, он обведен белым ободком; в белый цвет окрашены и рули управ- ления, имеющие обтекаемую форму. Прибор можно демонстриро- вать в теневой проекции на экран. Поставив рули управления и элероны в нейтральное положение (они перемещаются просто от руки), направляют на модель не- сильный воздушный поток. При этом воздуходувку располагают на одном уровне с прибором на расстоянии 0,5—1 м. Наблюдают го- ризонтальное расположение модели в воздушном потоке. Затем повертывают руль направления на некоторый угол вправо или влево и наблюдают как вся модель повертывается вокруг верти- кальной оси в соответствующую сторону, что вызывает полет самолета вправо или влево (рис. 292, а). Также показывают дей- ствие руля высоты. При этом руль направления ставят в исходное, неотклоненное, положение. Поворот руля высоты приводит к повороту самолета вокруг по- перечной оси и вызывает его подъем пли снижение (рис. 292, б). Действие элеронов показывают при неотклопенных рулях вы- соты и направления. Повернув элероны у крыльев один вниз, а другой вверх, наблюдают поворот модели вокруг продольной оси (рис. 292, в). Опыт не Устройство и действие ветряного двигателя Оборудование: 1) действующая модель ветродвигателя с элек- трогенератором, 2) модель ветронасосной станции, 3) универсальный электро- двигатель с вентиляторной насадкой, 4) маловольтная электрическая лампоч- ка (1 в, 0,075 а) на подставке, 5) проводники соединительные — 2 шт. Из ветродвигателей разных типов (крыльчатые, карусельные, роторные, барабанные) на практике наибольшее распространение получили крыльчатые. Основным элементом такого двигателя, использующего энергию ветра, является ветроколесо, состоящее Рис. 293. Демонст- рация действия ветро- двигателя 269
из двух, трех или боле£ лопас- тей, посаженных на втулку. Лопастям ветроколеса придают такую форму, что в поперечном сечении они имеют вид профиля крыла самолета. Аэродинамические силы, вызывающие вращение ветро- колеса, имеют то же происхожде- ние, что и силы, действующие на крыло самолета. Для демонстрации действия вет- родвигателя можно воспользовать- ся простой самодельной установ- кой (рис. 293). Шестилопастное ветроколесо 1 удобно собрать из двух готовых трехлопастных про- пеллеров (см. опыт 114), соединив их вместе на одной втулке, кото- рая насаживается прямо на ось велосипедного электрогенератора 2 из комплекта прибора по кине- матике и динамике. Ветроколесо можно изготовить Рис. 294. Действующая модель вет- и из трех двухлопастных пропел- ронасосной станции леров. Для этого их вырезают, например, из пластинок жести или дюралюминия размером 200 X 25 мм и прочно закрепляют на оси электрогенератора. Кроме ветроколеса, к электрогенератору прикрепляют на стерж- не стабилизатор (хвост) 3 из картона или жести. Модель устанав- ливают на подставке так, чтобы она могла свободно повертываться вокруг вертикальной оси. С помощью двух гибких проводников присоединяют к генератору лампочку: один проводник соединяют с пружинящим зажимом, а другой — с корпусом генератора. Направив воздушный поток от вентилятора, расположенного на расстоянии около 0,5 м, на модель, обращают внимание, что благодаря широкой лопасти хвоста (стабилизатор) ветроколесо автоматически устанавливается навстречу ветру. При этом ветро- колесо приходит в быстрое вращение — и лампочка загора- ется. Если лопасти ветроколеса изготовлены из полосок жести, то надо показать, что с изменением угла атаки лопастей меняется скорость вращения ветроколеса, о чем можно судить по яркости свечения лампочки. С этой целью слегка изгибают лопасти под тем или иным углом. Обращают внимание, что при перпендикулярном или параллельном расположении плоскостей крыльев к направле- нию воздушного потока ветроколесо не вращается. 270
ГЛАВА IV МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕПЛОТА К приборам, которые применяются в этой главе чаще других и носят универсальный характер, относятся проекцион- ный гальванометр с термопарами и демонстрационный манометр. Первый из них может служить чувствительным индикатором для обнаружения незначительного нагревания или охлаждения, а также для измерения температуры в необходимых пределах и с достаточной точностью. Второй прибор применяется для измере- ния давлений как больших, так и меньших атмосферы с точностью до ее сотых долей. Проекционный гальванометр (рис. 295) — при- бор магнитоэлектрической системы1. От других приборов такого типа он отличается тем, что имеет не одну, а две катушки разного сопротивления, вращающиеся в постоянном магнитном поле магни- та. Кроме того, шкала и стрелка прибора проецируются на экран при помощи простейшей оптической системы, смонтированной в одном общем кожухе с гальванометром, и плоского зеркальца, расположенного перед объективом. Внутри кожуха (рис. 296) установлен понижающий трансформатор и дополнительное пере- менное сопротивление (на рисунке не показано). Первый служит для питания током источника света — 6-вольтной автомобильной лампочки, а второе — для изменения чувствительности гальва- нометра при измерении температуры в разных пределах. Над трансформатором на кожухе установлен выключатель, введенный в цепь лампочки, а ниже расположены три зажима для соединения гальванометра с внешней цепью. К зажимам подключены катушки гальванометра и перемен- ное сопротивление по схеме 8, показанной на рисунке 296. Причем одна из катушек имеет малое сопротивление (десятые доли ож), а другая — большое (2—3 тыс. ом). Таким образом, гальванометр может быть включен в цепь как прибор чувствительный к току или как прибор чувствительный к напряжению (он позволяет об- наружить токи порядка 10~7 а и напряжения порядка 10~6 в). Задняя стенка кожуха прибора откидная, что обеспечивает свободный доступ к осветителю гальванометра. Шнур с вилкой 1 Автор прибора А. Г. Дубов. 272
служит для включения трансформатора в сеть переменного тока 127 или 220 в. К гальванометру прилагаются термопара, наготовленная из двух проволок (константан, железо) диаметром 0,3 л/.и, и термоба- тарея из нескольких термоэлементов. Кроме того, прилагаются три сменные шкалы: 50—0—50 делений, затем 0—50 и О—-100 де- лений. Термопара применяется вместе с гальванометром в качестве чувствительного индикатора для обнаружения незначительного повышения или понижения температуры, а термобатарея — для измерения температуры. Когда применяется термобатарея, то пе- ременное сопротивление подбирается так, чтобы вся равномерная шкала гальванометра соответствовала выбранному интервалу тем- пературы — от 0 до 100° или от 0 до 50'. Настройка прибора и его применение в качестве индикатора и термометра подробно описаны далее, в опыте 125. Демонстрационный манометр открытого типа в насто- ящее время выпускается Главучтехпромом. Прибор имеет большую равномерную шкалу (пределы измерения 0—6 ат) с ценою деления 0,5 ат, большую стрелку и смонтирован на устойчивой стойке с двумя кранами и треногой (рис. 297). Применяется демонстрацноп ный манометр главным образом для изучения устройства и принципа действия технического манометра и в ограниченном круге опытов, где требуются сравнительно грубые измерения за пределами одной Рис. 295. Проекдиоппый гальва- нометр с термопарой 273
Рис. 296. Устройство проекционного галь- ванометра: /—гальванометр, 2—тран- сформатор. выключа- тель, 4—прозрачная шка- ла, 5—конденсор, 6 — лампа, 7—рефлектор, 8— схема соединения кату- шек гальванометра с за- жимами атмосферы. Значительно большее применение в различных школь- ных опытах находит другой манометр, выпускаемый специализи- рованной промышленностью (рис. 298). Он имеет шкалу диамет- ром 140 мм, пределы измерения от 0 до 1,6 ат, цену деления 0,05 ат и оцифровку через каждые 0,2 ат. Рис. 297. Демонстраци- онный манометр Главуч- техпрома Рис. 298. Демонстраци- онный манометр с преде- лом измерения 0—1,6 ат 274
Сравнительно крупные деления шкалы, крупные цифры и стрелка хорошо видны издали, а пределы измерения прибора и точность являются вполне подходящими для демонстрационных целей. Поэтому прибор может применяться в школьных демон- страционных опытах без всяких изменений и переделок. Единственное неудобство состоит в том, что манометр выпу- скается в продажу без стойки. Однако этот недостаток легко устра- ним: к прибору хорошо подходит стойка от открытого демонстра- ционного манометра Главучтехпрома. § 1. ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ Опыт 117 Механическая модель броуновского движения Оборудование: 1) прибор для демонстрации модели броунов- ского движения, 2) проекционный аппарат с приспособлением для горизон- тального проецирования, 3) кинопроектор, 4) кинокольцовка «Броувово движение». Распространенный школьный прибор (рис. 299) устанавливают на проекционном аппарате, подготовленном для горизонталь- ного проецирования. Над прибором закрепляют объектив с плоским зеркальцем или оборотной призмой, как показано на рисунке 300. В затемненном классе проецируют прибор па экран и, переме- щая объектив, добиваются полной резкости изображения сталь- ных шариков или резиновой пробки, помещенных внутри прибора. Объясняют учащимся устройство прибора, который будет модели- ровать броуновское движение, обращая внимание па основные детали: кольцо из плоской пружины, ударный механизм, сталь- Рис. 299. Прибор для демонстрации модели броуновского движе- ния: 1—металлическая рама, 2—стальная плоская пру- жина, 3—~ударный меха- низм с зубчаткой, удар- ником и ручкой, 4—скоба для крепления прибора на проекционном аппа- рате 275
Рис. 300. Установка прибора на проекционном аппарате Рис. 301. Карти- на, наблюдаемая на экране во вре- мя демонстрации модели броуновс- кого движения ные шарики, изображаю- щие молекулы, и неболь- шую резиновую пробку— частицу с большей массой, чем шарики. Чтобы пружина была хорошо видна на экране, на нее слегка нажимают со стороны ударника внутрь, к центру кольца. Полезно также возбудить пружину простым щелчком от руки и по- казать, как отскакивают от нее отдельные шарики. Затем вращают ручку ударного механизма, и учащиеся слы- шат характерный звук от ударника. Одновременно с этим они ви- дят на экране, как под влиянием быстрого хаотического движе- ния шариков, имитирующего движение молекул, совершает бес- порядочное движение пробка. Она перемещается вследствие одновременной неуравновешенной бомбардировки несколькими ша- риками. Приблизительная картина одного из моментов, наблюдае- мых на экране, представлена на рисунке 301. Верхнее стекло у прибора легко вынимается, что дает возмож- ность менять число шариков и брать пробку различной величины. После опыта надо показать в классе кинокольцовку «Броуново движение», в которой это явление демонстрируется в таком виде, как оно наблюдается в микроскопе. Перед кольцовкой следует кратко ознакомить учащихся с приготовлением жидкого препа- рата для наблюдения под микроскопом и показать камеру, с кото- рой особенно удобно наблюдать броуновское движение частичек дыма1. 1 Рецепты препарата и камера для дыма описаны в книге: А. А. П о- к р о в с к и й и др., Практикум по физике в старших классах средней шко- лы, М., Учпедгиз, 1963, стр, 92—94. 276
Опыт Mch-од Штерна для определения ИВ скорости движения молекул газа Оборудование: 1) вращающийся диск с принадлежностями, 2) метр демонстрационный, 3) кинопроектор, 4) фильм «Опыт Штерна». Повторяют перед учащимися описанный ранее опыт 45 (рис. 107). Пускают из центра диска шарик и замечают место, куда он попадает на барьере. Затем приводят диск в равномерное вра- щение с определенным числом оборотов в секунду, которое заме- чают по маятниковому тахометру, и снова пускают шарик. Оста- навливают диск и убеждаются, что теперь шарик попал в другое место барьера. Очевидно, расстояние $, на которое сместился в этом опыте ша- рик, и радиус г диска можно измерить непосредственно. А ско- рость v вращения диска на его ободе легко вычислить, зная ра- диус г и число оборотов в секунду. Отсюда можно определить и скорость v движения шарика вдоль радиуса диска, считая это движение равномерным. Так как время движения шарика по ра- диусу и время поворота диска на расстояние смещения s равны между собой, то - = V V Следовательно, скорость шарика v^=—. По аналогии с этой механической моделью легко объяснить опыт Штерна, недоступный для демонстрации в средней школе. На классной доске вычерчивают разрез прибора, состоящего из двух вставленных один в другой цилиндров, из которых удален воздух (рис. 302). В центре узкого цилиндра, имеющего щель вдоль образующей, помещена перпендикулярно плоскости черте- жа тонкая платиновая проволока, покры- тая слоем серебра. Ось вращения прибора совпадает с осью проволоки. Если через проволоку пропускать элект- рический ток, то молекулы серебра с нака- ленной проволоки будут распыляться во все стороны. Большинство из них оседает на вну- тренней поверхности узкого цилиндра. Часть же через щель проходит дальше и попадает на широкий цилиндр, образуя заметную на глаз полоску напыления. Когда весь прибор при- водят в равномерное вращение, полоса на- пыления серебра смещается так же, как сме- щалось место положения шарика в описан- ной выше механической модели. Рис. 302. Схема опыта Штерна: 1 и 2—внешний и внутренний цилинд- ры, 3 — накаленная проволока, 4 и 5— места оседания моле- кул при неподвижных н вращающихся ци- линдрах 277
Далее демонстрируют снятый с натуры кинофильм «Опыт Штерна», который после предварительной подготовки, описан- ной выше, становится вполне понятным учащимся, несмотря на сравнительно быстрый темп показа. В фильме есть кадры, где представлены крупным планом одна, а затем две полосы напыления серебра. Однако эти полосы видны не очень отчетливо, поэтому при просмотре фильма на них сле- дует специально обратить внимание, чтобы заметить и некоторую «размытость» полос. Это подтверждает, что молекулы одного и того же газа при одинаковых условиях имеют различные скорости. ОпЫГП Раздувание резиновой камеры под колоколом воздушного насоса Оборудование: I) насос Комовского или ротационный с электро- двигателем, 2) тарелка со стеклянным колоколом, 3) камера от футбольного мяча, 4) зажим винтовой. Слегка надувают резиновую камеру воздухом, складывают вдвое отводную трубку и зажимают ее плотно с помощью винтово- го зажима. Затем кладут камеру на тарелку под колоколом так, чтобы она не закрывала собою отверстие для выхода воздуха (рис. 303). Соединяют тарелку с насосом и выкачивают из-под ко- локола воздух. При этом камера начинает постепенно раздуваться, как показано на рисунке пунктиром. Обращают внимание учащихся на то, что при откачивании Рис. 303. Футбольная камера под колоколом воздушного насоса воздуха число молекул, приходя- щееся на единицу объема в про- странстве под колоколом, стано- вится все меньше и, следователь- но, они с меньшей силой бомбар- дируют стенки камеры снаружи. Внутри же камеры число моле- кул остается прежнее, поэтому давление на стенки становится больше наружного и камера по- степенно раздувается. Если в физическом кабинете не окажется футбольной камеры, то в этом опыте можно с угпехом воспользоваться детским рези- новым шаром, детской надувной игрушкой из тонкой резины или самодельным резиновым ведерком1. 1 А. И. Глазырин, Самодельные приборы по физике, М., Учпедгиз, 1960, стр. 138. 278
П Ы ГП Свободная диффузия газов и жидкостей 120 Оборудование: 1) два цилиндра высотой 30—40 см, 2) настоль- ный экран, 3) стеклянная пластинка, 4) бром, 5) раствор медного купороса, 6) вода дистиллированная, 7) кружок из пробки, 8) воронка с длинной трубкой. На эту тему лучшими в методическом отношении опытами яв- ляются такие, в которых представляется возможность наблюдать явление диффузии непосредственно, без применения каких-либо индикаторов, например диффузия раствора медного купороса и воды. Однако такая постановка опытов для газов затруднена тем, что газы в большинстве своем бесцветны. Поэтому для демонстра- ции свободной диффузии газов часто пользуются парами, имеющи- ми ту или иную яркую окраску, например коричневыми парами брома. На дно высокого стеклянного цилиндра аккуратно, не забрыз- гивая стенок, вводят с помощью стеклянной трубки несколько капель брома. Цилиндр закрывают стеклянной пластинкой, чтобы удушливые пары не смогли в дальнейшем выйти наружу. За ци- линдром помещают белый настольный экран, и установка готова для наблюдения (рис. 304). Образовавшиеся пары брома тяжелее воздуха, поэтому они сначала располагаются на дне цилиндра. Затем пары довольно быстро диффундируют вверх и заметно окрашивают воздух. Чтобы наглядно показать различие в скорости диффузии газов и жидкостей, взятых при одинаковых условиях, целесообразно вместе с описан- ной установкой выставить на демонстра- ционный стол второй такой же цилиндр, с насыщенным раствором медного купо- роса (внизу) и дистиллированной водой (вверху) с резкой границей раздела меж- ду ними. Тогда учащимся будет видно, что за время, в которое закончится диф- фузия газов, на границе жидкостей ника- ких заметных изменений не произойдет. По окончании опыта первый цилиндр убирают из класса и наливают в него воду: она хорошо растворяет пары брома. Второй же цилиндр сохраняют, чтобы можно было показать его на уроке еще раз через несколько дней. Цилиндр с жидкостями к демонстра- ции подготавливают так. Сначала нали- Рис. 304. Диффузия па- ров брома в воздухе 279
вают в него некоторое количество насыщенного раствора медного купороса и опускают на него пробочный кружок толщиной в несколько миллиметров и диаметром немного меньше диаметра цилиндра. Затем понемногу наливают на этот кружок дистиллированную воду через воронку с длинной трубкой. Кру- жок постепенно всплывает, и под ним образуется резкая граница жидкостей. Можно подготовку провести иначе. Налить сначала в цилиндр дистиллированную воду, опустить до дна цилиндра стеклянную трубку с воронкой и через нее медленно наливать насыщенный раствор медного купороса. Перед тем как аккуратно вынуть труб- ку, надо в нее влить немного воды, чтобы вытеснить раствор мед- ного купороса и устранить всякую возможность смешения жид- костей. ПЫ ГЛ Диффузия газов через пористую перегородку Оборудование: 1) пористый цилиндр для демонстрации диф- фузии газов, 2) манометр демонстрационный с резиновой трубкой, 3) прибор для получения водорода и углекислого газа, 4) стакан химический, 5) кино- проектор, 6) фильм «Диффузия». Широко распространенный школьный прибор—пористый ци- линдр (рис. 305)—соединяют резиновой трубкой с демонстрацион- ным манометром и приводят уровни воды в нем в первоначальное положение. Затем берут цилиндр за цоколь из пластмассы, повер- тывают донышком вверх и накрывают небольшим химическим ста- каном, как показано на рисунке 306. В стакан вводят водород из прибора Киппа (или светильный газ) и наблюдают за изменением уровней воды в манометре. Средняя скорость движения молекул водорода при одинако- вых условиях значительно выше, чем средняя скорость движения более массивных молекул азота и кислорода, составляющих воз- дух. Последние выходят из цилиндра в меньшем количестве, чем проникают туда более подвижные молекулы водорода. Поэтому внутри цилиндра создается давление, которое и отмечает мано- метр. Разность уровней быстро достигает максимального значе- ния — 35—40 см. Снимают стакан с пористого цилиндра и наблюдают обратное явление. Давление в манометре доходит сначала до нормального, а затем уменьшается. Падение давления объясняется тем, что теперь молекулы водорода, находящиеся внутри цилиндра, выхо- дят из него быстрее, чем туда проникает воздух. 280
Рис. 305. Цилиндр ДЛЯ де- монстра- ции диф- фузии га- зов Рис. 306. Диффузия водорода углекислого газа в воздух После этой демонстрации учащимся задают вопрос: как будет протекать явление диффузии, если окружить пористый цилиндр углекислым газом? Правильность ответов проверяют опытом. Ставят стакан на подставку, наполняют его из прибора Киппа углекислым газом и убеждаются в этом с помощью горящей спич- ки. Опускают цилиндр в стакан, как показано на рисунке 306 пунктиром, и наблюдают за манометром. Диффузия углекислого газа протекает в порядке, обратном диффузии водорода, причем максимальные давления будут меньше, чем в первом опыте, что связано с разностью средних скоростей движения молекул угле- кислого газа, с одной стороны, и молекул азота н кислорода — с другой. В заключение опыта показывают фильм «Диффузия». Хотя, в фильме повторяются описанные выше опыты, он все же заслужи- вает внимания: пояснения к опытам сопровождаются наглядными мультипликациями, помогающими понять и запомнить механизм диффузии газов через пористую перегородку. Кроме того, в конце фильма показана диффузия олова и меди, что далеко не всегда можно воспроизвести в школьных условиях. На экране видно, как медь покрывают расплавленным оловом и что образуется пограничный слой — место спая. Его рассматривают в микроскоп; при этом хорошо заметно, что олово проникло в медь. Характер движения молекул меди п расплавленного олова представлен мультипликацией.
Опыт 122 Прилипание стеклянной пластинки к воде и керосину Оборудование: 1) штатив универсальный, 2) чувствительная пружина или тонкий резиновый шнур, 3) стеклянная пластинка с крючком посередине, 4) два кристаллизатора — с водой и керосином. Круглую стеклянную пластинку с крючком посередине под- вешивают на тонкой пружине, чувствительной к малым нагруз- кам (или на тонком резиновом шнуре), и укрепляют в штативе (рис. 307). Под пластинку подносят снизу кристаллизатор с водой и следят за тем, чтобы его стенки не касались пластинки, вода же смачивала всю ее нижнюю поверхность. Между стеклом и водой возникает молекулярное сцепление, для преодоления которого требуется некоторое усилие, что и требуется продемон- стрировать. Медленно опускают кристаллизатор и наблюдают, как пластин- ка держится у поверхности воды при значительном растяжении пружины (резинового шнура). Замечают приблизительно наиболь- Рис. 307. Демонстрация силы прилипания стек- лянной пластинки к жидкости Рис. 308. Сцепление свинцовых цилиндров 282
шее растяжение, при котором пластинка, смоченная водой, от- рывается от води. Повторяют опыт, но с другой жидкостью. Тщательно выти- рают фильтровальной бумагой пластинку и подносят к ней кри- сталлизатор с керосином. На глаз хорошо заметно, что теперь растяжение той же пружины (шнура) значительно меньше, чем в первом опыте. Подходящая для такого опыта пружина имеет длину 8—10 см, диаметр около 10 мм и навивается из латунной проволоки диаметром 0,5мм или стальной проволоки диаметром 0,3 мм. Пла- стинка берется от распространенного прибора для демонстрации давления жидкости снизу вверх, где она служит отпадающим дном. ОпЫГП Сцепление свинцовых цилиндров 123 Оборудование: 1) штатив универсальный, 2) два свинцовых цилиндра, 3) набор гирь, 4) нож, 5) кювета с песком. Хорошо очищенные с торца свинцовые цилиндры прикладыва- ются один к другому. От руки, насколько хватает силы, прижи- мают их и слегка повертывают вокруг продольной оси. Затем подвешивают цилиндры за крючок на заранее подготов- ленный штатив. Под цилиндры подставляют кювету с песком (в случае падения песок «смягчает» удар) и на другой свобод- ный крючок вешают гири (рис. 308), увеличивая постепенно нагрузку по 1 кГ. Обычно сцепление цилиндров выдерживает гирю в 5 кГ. Когда приходится в процессе демонстрирования подвешивать две гири одну за другой (1 кГ + 2 кГ\ 2 кГ + 2 кГ), то верхнюю из них надо не забывать поддерживать левой рукой. Тогда исклю- чается опасность падения этой гири на другую руку эксперимен- татора. Успех описанного опыта зависит исключительно от правиль- ной подготовки свинцовых цилиндров. Их торцевые поверхности Рис. 309- Зачистка свинцового цилиндра 283
должны быть прежде всего ровными: без выступов, углублений, царапин, забоин и заусенцев. Кроме того, поверхности должны быть совершенно чистыми, блестящими, как у свежеразрезанного свинца. Для устранения замеченных на глаз неровностей цилиндры слегка (чтобы не помять) зажимают в тиски и аккуратно обраба- тывают напильником с мелкой насечкой. Затем цилиндры закреп- ляют поочередно в обойме и острым ножом постепенно зачищают поверхность свинца до блеска (рис. 309). Этим и заканчивается подготовка. При некотором навыке, который приобретается про- стым упражнением, зачистку цилиндров можно делать не приме- няя обоймы: опереть цилиндр о крышку стола и держать его левой рукой. ОпЫГП Спрессовывание свинцовых опилок 124 Оборудование: 1) гидравлический пресс с приспособлением для спрессовывания опилок, 2) свинцовые опилки в пробирке, 3) деревян- ный молоток. Перед уроком заготавливают с помощью драчевого напильника или рашпиля 5—7 см3 свежих свинцовых опилок и насыпают их в химическую пробирку с пробкой. Затем проверяют действие гид- равлического пресса, который должен создавать для этого опыта давление 100—120 ат. На уроке встряхивают пробирку и показывают учащимся на- ходящиеся в ней мелкие свинцовые опилки. Затем показывают при- лагаемое к прессу приспособление для спрессовывания опилок. Вынимают из него вертикальный стальной стержень и в отверстие насыпают опилки приблизительно на три четверти его глубины. Снова вставляют стержень одним концом в отверстие, а на другой его конец надевают съемную головку. Подготовленный таким образом прибор помещают на середину опущенного вниз большого поршня гидравлического пресса и, наблюдая за тем, чтобы стержень не имел перекоса, делают не- сколько качаний рукояткой насоса. Большой поршень немного поднимется и слегка прижмет стержень (рис. 310). В таком виде установка готова для выполнения опыта. После этого вычерчивают на классной доске разрез приспо- собления (рис. 311). Из рисунка видно, что верхний вертикальный стержень служит для прессовки, а нижний, конусный, вставлен- ный горизонтально, является пробкой, которая дает возможность легко вынуть спрессованную деталь из прессформы. С этой целью 284
Рис. 310. Установка для спрессовывания опилок Рис. 311. Приспособ- ление для спрессовы- вания опилок: /—корпус, 2—цилиндри- ческий стержень, 3—-ко- ническая пробка, 4—мес- то для опилок Рис. 312. Спрессованные свинцо- вые и медные опилки пробка выбивается слабыми ударами деревянного молотка, а спрессованная масса выдавливается тем же прессом или деревян- ным молотком в нижнюю, более широкую часть канала, откуда она свободно выпадает наружу. Приводят пресс в действие и, наблюдая за манометром, дово- дят давление до 100 ат. При таком давлении между свинцовыми опилками частично восстанавливается молекулярное сцепление' они спрессовываются в сплошную блестящую свинцовую массу цилиндрической формы, в которой па глаз никак нельзя различить отдельных частиц. Свинцовый цилиндр, вынутый из прессформы, оказывается достаточно прочным: он распадается на отдельные части только при ударе молотка, что и надо показать учащимся в заключение опыта. Следует иметь в виду, что подобному прессованию поддаются п опилки других веществ, например красной меди или органиче- ского стекла. Однако цилиндрики, полученные из этих матери- алов путем прессования, будут менее прочными, чем свинцо- вые, несмотря на то что давление для них приходится увеличивать до 150 ат. На рисунке 312 показаны спрессованные свинцовые и медные опилки, причем фигура слева получена из свинцовых опилок в прессформе, предназначенной для плавления льда под давлени- ем. Такая прессформа также прилагается к гидравлическому прессу, и ее устройство можно объяснить учащимся па уроке во время опыта, 285
§ 2. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ. ТЕПЛОТА И РАБОТА * Опыт Измерение температуры электрическим термометром 125 Оборудование: 1) проекционный гальванометр с термопарой и термобатареей, 2) капиллярный термометр, 3) Два стакана с водой, комнатной температуры и подогретой. Выводят полностью все дополнительное сопротивление у галь- ванометра и таким образом доводят его чувствительность до мак- симальной. Присоединяют к соответствующим зажимам термопа- ру из двух тонких проволок. Шкалу берут с нулем посередине; проецируют ее на экран и корректором устанавливают стрелку гальванометра на нулевое деление. Этим заканчивается подготов- ка прибора как индикатора. Касаются термопарой ладони руки и замечают отклонение стрелки вправо. На один мо- мент опускают спай термопары в воду комнатной температуры и затем слегка помахивают термопарой в воздухе. Вследствие испа- рения воды температура термопары понижается и стрелка быстро уходит влево от нуля. Таким образом, убеждаются, что тер- мопара с гальванометром представляют собой весьма. чувстви- тельный индикатор для обнаружения незначительного изменения температуры. Далее знакомят учащихся с этим прибором как с электриче- ским термометром. Заменяют шкалу другой, имеющей, например, 50 делений; корректором переводят стрелку на начало отсчета и присоединяют к соответствующим зажимам гальванометра прила- гаемую к прибору термобатарею. Проецируют шкалу на экран и по оцифровке предлагают учащимся определить цену одного деления. Затем по капиллярному термометру с крупными, хорошо ви- димыми делениями определяют комнатную температуру, напри- мер 20°. Пользуясь переменным сопротивлением, устанавливают стрелку гальванометра на деление шкалы, соответствующее 20. Теперь прибор готов для измерения температуры. Ставят оба термометра (капиллярный и электрический) сна- чала в стакан с холодной водой и наблюдают за их показаниями. Затем переносят термометры в теплую воду и снова проводят такие же наблюдения. Убеждаются, что оба прибора дают одинаковые показания; следовательно, термопарой с гальванометром можно измерять температуру так же, как и обычным капиллярным термометром. Обращают внимание учащихся, что электрический тер- мометр обладает меньшей теплоемкостью. Он значительно быстрее воспринимает температуру окружающей среды, чем выгодно от- личается от термометра капиллярного. Опыт можно повторить с другой шкалой (другая цена деления). 286
J П Ы ГП Различная удельная теплоемкость металлов 126 Оборудование: 1) прибор Тиндаля, 2) электрическая плитка или другой нагреватель. Перед опытом снимают со стойки прибора Тиндаля обойму с цилиндриками одинакового веса из разных металлов: латуни, стали и алюминия (или свинца, латуни, стали и алюминия у при- боров старой конструкции). Перевертывают ее цилиндриками вверх, следя за тем, чтобы шайбы на стержнях вошли в отверстия сбрасывающей планки и поместились между планкой и обоймой. Сдвигают планку, как по- казано на рисунке 313, и тем закрепляют стержни в этом положе- нии. Погружают цилиндрики в жестяную ванну, прилагаемую к прибору, в которую заранее наливают кипяток. Пока цилиндрики прогреваются в воде, на стойке устанавли- вают подготовленную для опыта парафиновую пластинку. Ее ук- репляют ребром в специальных пазах стойки, подложив снизу же- стяную кювету — форму (рис. 314). Затем демонстрируют опыт. Вынутую из кипятка обойму с цилиндриками насаживают на стойку и, сдвинув планку, сбрасывают цилиндрики на парафино- вую пластинку. Цилиндрики должны стать точно посередине пла- стинки. Если какой-нибудь из цилиндриков немного сместился в сторону, его надо быстро поправить (рис. 315). Далее следят за тем, как цилиндрики, расплавляя парафин, постепенно погружаются в пластинку и останавливаются, когда их температура будет несколько ниже точки плавления парафина Рис. 313. Закрепление цилиндров в обойме: /—обойма. 2 — сбрасывающая планка Рис. 314. Парафиновая пластинка в пазах стойки 287
Различная глубина погружения цилиндриков свидетельствует о различном количестве теплоты, отданной каждым из них при остывании на одинаковое число градусов, т. е. о неодинаковой теплоемкости. Принимая во внимание, что массы у них одинаковы, можно сделать зак- лючение: удельная теплоем- кость различных металлов, из которых изготовлены цилинд- рики, неодинакова. Рассматривая таблицу удель- ных теплоемкостей различных металлов, можно убедиться, что глубина погружения цилиндри- ков хорошо согласуется с данны- ми таблицы: наименьшая глуби- теплоемкость 130 —. кг-град ) ), сталь (460 ——-....| и алю- / кг-град / Рис. 315. Прибор Тиндаля в конце опыта на погружения у свинца (удельная Затем следуют латунь (400 — кг-град — /оол дг/с , минии (880 --------. кг-град / После проведения опыта парафиновую пластинку освобождают от цилиндриков, укладывают в форму и подогревают, пока парафин не расплавится. Затем парафину дают застыть. Чтобы с новой пла- стинкой можно было повторить опыт, ее вынимают из формы, слегка придерживая края формы и надавливая на дно. Таких пла- стинок необходимо приготовить несколько, по числу классов, в которых предполагается демонстрация опыта. Опыт 127 Определение удельной теплоемкости воды Оборудование: 1) прибор для определения удельной теплоем- кости, 2) стаканчик химический с водой, 3) динамометр, 4) линейка демон- страционная, 5) проекционный гальванометр с термопарой, 6)“штатив с дву- мя лапками и муфтами, 7) дрель ручная. Лабораторный прибор, известный под названием ^прибор для определения механического эквивалента теплоты», позволяет удоб- но и быстр о определить механическую работу при трении и связан- ное с этим увеличение внутренней энергии известной массы воды в калориметре, а следовательно, найти удельную теплоемкость воды. 288
Демонстрацию надо пока- зать так, чтобы она послужила подготовкой к аналогичной ла- бораторной работе в практику- ме. Сначала показывают общий вид прибора, который состоит из двух латунных гильз, встав- ляемых одна в другую; втулки с рычагом для измерения силы трения и плеча; рукоятки для вращения внутренней гильзы и скобы со стержнем для ук- репления прибора в штативе. Показывают, как собирается установка для выполнения лабо- раторной работы1. Затем собирают установку, на которой проводят демонстра- цию опыта (рис. 316). Чтобы получить достаточно большое число оборотов внутренней гиль- зы при небольшой затрате вре- Рис. 316. Установка для опреде- ления удельной теплоемкости воды мени на уроке, применяют руч- ную дрель, у которой предва- рительно определяют передаточное число, например 1 : 5. Дрель закрепляют на штативе с помощью двух лапок. Внутреннюю гиль- зу прибора закрепляют в патроне дрели с помощью небольшого стерженька из материала с плохой теплопроводностью (пластмас- са, дерево), который ввертывают в нарезку гильзы вместо рукоятки. Под гильзы прибора подставляют стаканчик, в который нали- вают, например, 60 г воды. Гильзы должны быть полностью по- гружены в воду. После этого показывают, как следует измерять силу. Динамо- метром зацепляют за крючок на рычаге прибора и равномерно вращают рукоятку дрели. Делают 3—5 оборотов и отмечают си- лу F, например 1,5 н. Если стрелка динамометра колеблется, бе- рут среднее значение из показаний. Затем убирают динамометр и с помощью проекционного галь- ванометра измеряют начальную температуру t°l воды. Для этого помещают в стаканчик термопару и, помешивая воду, возможно точнее определяют температуру в начале опыта (с точностью до 0,ГС). После этого делают, например, 200 оборотов рукояткой дрели (1000 оборотов гильзы) и опять возможно точнее определяют тем- 1 А. А. Покровский и школе, изд. 4, Учпедгиз, 1963, стр. др., Практикум по физике в средней 95—97, рис. 45 и 47. 10 Заказ 480 289
пературу t\. Обращают внимание учащихся, что температуру в конце опыта надо отмечать наибольшую, т. е. когда прекратится ее дальнейшее повышение. Когда опыт проделан и все измерения выполнены, подсчитывают работу А — 2nrFn и увеличение внутренней энергии воды А1/ — tnckf, где г—плечо рычага на втулке, отсчитываемое от центра вращения до места прикрепления динамометра (10 см), F — сила, измеренная динамометром (1,5 н), п — число оборотов гильзы (1000 оборотов), т. — масса воды (60 г), Д/° = f2— — разность температур (18,7° — 15°). Откуда удельная теплоемкость 2nrFn . дж с = —-------г- ^ 4200--------. т( /<>— М кг • град В данном опыте не учитывается нагревание стаканчика и гильз. Однако начальную температуру воды полезно брать ниже комнат- Д/ нои на —. 2 ОпЫГП Нагревание свинца ударами молотка 128 Оборудование: 1) гальванометр проекционный с термопарой или микроманометр с теплоприемником, 2) наковальня малая и молоток, 3) тонкая свинцовая пластинка, 4) плотный, тонкий картон. Накрывают наковальню для теплоизоляции небольшим отрез- ком тонкого плотного картона или листового асбеста. На картон кладут согнутую вдвое свинцовую пластинку. Затем берут термопару, приготовленную заранее из двух тон- ких проволок, и свободные концы термопары соединяют с проек- ционным гальванометром. Можно воспользоваться и гальваномет- ром демонстрационным, если имеется приставка для увеличения его чувствительности. Проверяют работу собранной цепи: касаются слегка рукой термопары и обращают внимание на отклонение стрелки гальвано- метра. После этого вставляют термопару внутрь согнутой плас- тинки, т. е. между ее половинками. Когда стрелка гальванометра перестанет перемещаться — установка готова для демонстрации опыта. Ударяют 2—3 раза молотком по свинцовой пластинке в том ме- сте, где вложена термопара. Обращают внимание, что молоток не отскакивает от свинца, т. е. удары неупругие, и наблюдают не- большое отклонение стрелки гальванометра от первоначального положения. Затем наносят пластинке серию легких ударов; стрел- ка гальванометра постепенно проходит почти всю шкалу. 290
МИКРОМАНОМЕТР Рис. 317. Установка с микроманометром и теплоприемпиком Оставляют пластинку свободно остывать в воздухе при комнат- ной температуре. Показания гальванометра будут постепенно уменьшаться и возвращаться к первоначальному. Термопару для этого опыта можно применить самодельную. Две проволоки разного металла (лучше константановую и желез- ную) плотно скручивают с одного конца. Место скрутки помещают на короткое время в электрическую дугу. Металлы свариваются, и термопара готова. В этом опыте в качестве индикатора изменения температуры можно воспользоваться школьным теплоприемпиком в виде пло- ской тонкостенной металлической коробки, плотно соединен ной резиновой трубкой с чувствительным микроманометром (рис. 317). Стрелку микроманометра переводят на нуль шкалы п на тепло приемник, обращенный черной стороной вверх, кладут свинцовую пластинку. Обращают внимание, что положение стрелки не из- меняется. Затем пластинку снимают, подвергают быстрым ударам молот ка, как было описано выше, и снова кладут па теилоприемник. Теперь стрелка микроманометра будет заметно перемещаться, обнаруживая повышение температуры. ПЫШ Нагревание металлической трубки трением 129 Оборудование: 1) трубка латунная, 2) основание от универсаль ного штатива, 3) шнур, 4) эфир. Тонкостенную латунную трубку для демонстрации нагрева- ния, происходящего в процессе работы, прочно зажимают в осно- вание универсального штатива. Наливают в нее 3—4 с.и3 эфира и закупоривают пробкой.
Прибор устанавливают на угол демонстрационного стола. Обернув один раз вокруг трубки прочный мягкий шнур, берутся вдвоем за его концы и, придерживая руками прибор, натирают трубку шнуром (рис. 318) (натирать необходимо быстрыми пооче- редными движениями, сильно натягивая шнур). Через несколько секунд эфир нагреется и закипит. Под давлением паров пробка с силой вылетит вверх. Для успеха опыта необходимо тщательно подобрать хорошую корковую пробку. Она должна вполне герметично закрывать труб- ку, но сидеть в ней не слишком туго. Наилучшие условия подби- раются экспериментальным путем. Хорошо подогнанную пробку и шнур нужно хранить вместе с прибором. Вместо эфира можно воспользоваться спиртом, но при этом потребуется более сильное и длительное натирание. Установку описанного опыта можно изменить, приблизив ее к той, какую часто помещают в учебниках. Трубку зажимают в центробежную машину и сравнительно быстро вращают. Трение создают полоской сукна, которой охватывается трубка. Свобод- ные концы полоски держат в руке и, сжимая их больше или мень- ше, регулируют трение. Опыт Нагревание стержня при его растяжении 130 Оборудование: 1) гидравлический пресс с приспособлением для растяжения, 2) стержень металлический, 3) гальванометр проекционный ~ термопарой. На металлический стержень, прилагаемый для разрыва к гид- равлическому прессу, надевают через утолщенную головку не- большое упругое резиновое колечко. Закрепляют стержень в при- способление для растяжения, устройство которого понятно из рисунка 319. Ставят приспособление на пресс и растягивают стержень до появления едва заметной перемычки — шейки (рис. 320). Как только обозначится шейка, растяжение прекращают. На шейку надвигают резиновое колечко, под которое подсовывают 292
Рис. 319. Приспособление для разрывания стержня: 1 — корпус, 2 — подвижная платфор- ма с двумя стержнями^ 3 — разрывае- мый образец, 4 — кольцо с прорезями термопару, соединенную с проек- ционным гальванометром. Спай термопары должен плотно при- легать к стержню, как это по- казано отдельно от установки на рисунке 321. В таком виде установку можно считать под- готовленной для демонстрации опыта, который заключается в следующем. Сначала учащиеся тщатель- но замечают по шкале первона- чальное показание гальвано- метра, когда давление прессом не производится и стрелка сто- ит все время на месте. Затем вновь подвергают стержень даль- нейшему постепенному растя- жению до его разрыва и следят за стрелкой. При удлинении стержня его температура будет заметно повышаться, что сви- детельствует о переходе меха- нической энергии, затраченной на растяжение, во внутреннюю энергию. Этот опыт менее выразитель- но можно показать с эластич- ной толстостенной резиновой трубкой длиной приблизитель- но 25 см и диаметром 8—10 мм. В тонкий прокол стенки трубки вставляют термопару и соединяют ее с проекционным гальванометром. Можно приме- нить и демонстрационный галь- ванометр с приспособлением для повышения его чувствитель- Рис. 320. Образование шейки у ме- таллического стержня 293
Рис. 321. Стержень с резиновым крль- цом и термопарой ности. Один конец трубки зажимают струбцинкой за край крышки стола, а другой — берут в руку. Несколько раз быстро растягивают трубку, при этом гальванометр покажет некоторое по- вышение температуры. Если учащиеся еще не были знакомы с чувствительным индика- тором температуры, то им надо предварительно показать его дей- ствие. Соединить термопару с гальванометром и, нагревая ее, на- пример, прикосновением руки, наблюдать быстрое перемещение стрелки гальванометра. П Ы ГП Изменение температуры воздуха при его сжатии и расширении 131 Оборудование: 1) склянка толстостенная емкостью 3—5 л с тубусом, 2) насос ручной или Комовского, 3) осветитель малый для подсвета, 4) гальванометр проекционный с термопарой. Для этого опыта подбирают толстостенную склянку с доста- точно широким тубусом и горловиной. Тубус плотно закрывают резиновой пробкой, через которую пропускают небольшой стек- лянный патрубок и два конца от термопары. Патрубок соединяют с насосом, а термопару с проекционным гальванометром (рис. 322). Склянку лучше расположить на краю стола, чтобы можно было воспользоваться подсветом. Осветитель для подсвета помещают сзади и немного ниже установки. Закрывают не очень плотно резиновой пробкой горло склянки и насос