Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
Между тем в этом простом инструменте скрываются очень интересные законы. Что представляет собой наш инструмент? Булавка – это просто металлический стержень, жестко закрепленный с одного конца. Если по нему ударить, как и в гитарной струне, в нем образуются колебания, которые передаются в воздух, и мы слышим их как звук. Но почему этот звук «мяукает», почему он изменяется по высоте?
Дело в том, что высота, тональность звука зависит от длины стержня (или струны). Так, гитаристы изменяют тональность звука, зажимая пальцами лады, прижимая струну к деревянному грифу. Струна становится то короче, то длиннее – и поэтому звук изменяет свое звучание. Кстати, специальные металлические «порожки» на гитарном грифе нужны как раз для того, чтобы струна прижималась всегда в строго определенном месте и давала звук точно отмеренной высоты. На скрипке, скажем, таких порожков нет, поэтому из скрипки можно извлечь звуки буквально любого тона, в этом принципиальное отличие скрипки от гитары.
Когда мы при ударе «скользим» булавкой по краю стола, этот край представляет собой как бы такой «порожек», или палец скрипача, зажимающий струну. Он «бежит» вдоль металлического стержня, при этом звучащая часть (между краем и свободным концом булавки) становится короче, тональность звука повышается – и мы слышим «мяуканье».
Видно, капля воды при падении тоже изменяет свою форму при ударе таким образом, что звук от удара повышается за короткое время, поэтому звук от булавки и капели похож.
Вот такой у нас получился инструмент!
80
Телескоп из очков
Для опыта нам потребуются: очки дальнозоркого человека, очки близорукого человека.
Звездное небо прекрасно! Между тем большинство городских жителей видят звезды очень редко и, наверное, поэтому не знают их. Есть такое понятие – «световое загрязнение атмосферы». В городах оно очень сильное, слабые звездочки проблескивают через сияние огней… Но тем не менее, когда горожане попадают в деревню, в лес, на природу, они восхищаются звездами. Особенно яркие звезды в тропиках, кажутся просто висящими фонарями.
А люди с древности интересовались звездами, придумывали в небе разные фигурки и мифы про звездных жителей. Звезды помогали найти путь в морях и океанах, в пустынях и лесах.
Чтобы разглядеть небо лучше, придумали телескоп. Сейчас телескоп (если есть деньги) можно купить в магазине. Однако раньше это себе позволить было нельзя. Не было таких магазинов! И ученые, такие знаменитые, как Галилео Галилей, Ньютон, Тихо Браге и много других, сами изготавливали себе телескопы из стеклянных линз. Первые телескопы были ужасно примитивными, очень простыми и, на наш современный взгляд, даже смешными. Ну посудите сами, одна из линз висела на длинной веревке или прикреплялась к шесту, а с другой ученый бегал по земле так, чтобы на несколько секунд уловить изображение планеты или звезды! Но такие телескопы позволили открыть кольца Сатурна, пятна и полярные шапки Марса, обнаружить атмосферу на Венере – и все это с Земли! Скажем, когда Михаил Ломоносов на короткое мгновение увидел, что Венера, «утренняя звезда», проходя на фоне Солнца, на секунду озарилась «сиянием», сделал правильный вывод – это светится атмосфера вокруг планеты!
Мы можем сделать простой опыт – сделать из подручных средств самый простой телескоп прямо дома, в квартире.
Для этого нам понадобятся очки – одни от близорукого человека, другие – от дальнозоркого. Обычно у пожилых людей развивается дальнозоркость, так что эти очки надо выпросить у бабушки или дедушки. А «близорукие» очки часто носят молодые люди или люди среднего возраста. Скорее всего это мама, папа, старший брат или сестра.
Давайте посмотрим, как идут лучи в простейшем телескопе.
Лучи от предмета обычно идут прямо, параллельными линиями. Они наталкиваются на линзу и поворачивают. Почему они поворачивают, я еще поясню позже – пока просто поверьте. Лучи собираются в точку, если поверхность линзы правильно выточена, имеет нужную форму (см. рисунок).
Это собирающая линза, та, которая бывает в «близоруких» очках. А если сделать линзу другой формы? Получится, что лучи будут рассеиваться.
А теперь что будет, если мы перед глазом поставим рассеивающую линзу, а потом собирающую? На рисунке я постарался пояснить, что произойдет.
Наш глаз находится справа и смотрит без всяких линз. Лучи света от предмета (маяк) идут прямо, и мы видим ровно такую же высоту, какая есть «на самом деле». Понятно, что опыт и бинокулярное зрение (то, что у нас два глаза) подсказывают нам, какой высоты и на каком расстоянии находится этот маяк. Затруднений нет.
А теперь поставим линзы – одна соберет лучи «в кучку», а вторая рассеет. Но мы подберем расстояние между ними и их форму так, чтобы при рассеивании в конце концов лучи шли опять параллельно друг другу и прямо. И окажется, что маяк для создания «такого же» изображения должен быть как бы существенно выше! И глазу кажется (и мозгу вместе с ним), что башня выше, чем она «на самом деле».
А теперь уже опыт!
Берем и надеваем очки для близоруких, с рассеивающей линзой. Видно плохо, в тумане (если только у вас нет близорукости). Если близорукость есть, наденьте собственные очки, ничего страшного. Физика не подведет. Теперь возьмите в руку очки для дальнозорких и посмотрите через них, держа их на вытянутой руке. Вы увидите, что предметы кажутся больше! Я сделал фотографию, надев «близорукие» очки прямо на фотоаппарат. Видно, что картинка на стене кажется увеличенной почти в два раза! Она немного нерезкая, но это потому, что телескоп у нас уж больно примитивный. Зато мы теперь понимаем устройство простейшего телескопа!
Чтобы картинка стала резкой, надо менять расстояние между линзами и подобрать такое, когда изображение будет в фокусе. Для этого у всех подзорных труб и телескопов есть возможность изменять такое расстояние – винтами, втулками и так далее.
Чтобы сделать это фото, я надел одни очки прямо на фотоаппарат, а через вторые фотографировал. Видно, что висящая на стене картина через стекло вторых очков видна почти в два раза большей. Это модель простейшего телескопа.
Осталось еще понять, почему же поворачивает свет в стекле? Об этом в следующей главе.
81
Почему луч поворачивает в стекле, или Как работает линза?
Сейчас я поясню, почему стекло преломляет свет, то есть почему лучи «поворачиваются», изменяют свое направление, попадая в линзу или призму. Сразу надо сказать, что лучи поворачиваются или преломляются не всегда. А только если попадают на стекло под некоторым углом.
Давайте представим себе очень простую картину. По хорошей асфальтовой площади идет быстрым шагом, сохраняя строй, ряд солдат. Я нарисовал их кружочками на рисунке. Они стараются и держат строй, направление фронта, или линия строя ровная, и все хорошо. И тут прямо перпендикулярно движению солдат попадается край пашни, в которой вязнут ноги, и все солдаты начинают идти в два раза медленнее, увязая в глине. Что произойдет с направлением строя? Да ничего. Все одновременно наступят на край пашни и все одновременно станут двигаться медленнее.
Как на рисунке.
Но представим теперь, что край пашни попался не ровно по линии строя, а под углом! Что произойдет?
Произойдет занятная вещь. Каждый солдат будет продолжать двигаться в том же направлении, что и двигался. Но одни солдаты (внизу рисунка) попадут на пашню раньше, а другие – позже. И окажется, что часть солдат уже увязла и движется медленнее, а другие еще идут быстро! Так что линия фронта, или передний ряд, образованный солдатами, как бы начнет поворачиваться!
На рисунке мы видим, что солдаты внизу, наткнувшись на границу пашни, стали двигаться медленнее, теперь за одно и то же время они проходят вдвое меньшее расстояние, чем солдаты, которые продолжают идти по асфальту. И фронт повернулся.
Что же происходит в стекле со светом? Когда луч света (фронт) попадает на стекло, он начинает двигаться медленнее, потому что скорость света в воздухе выше (это как асфальт для солдат), чем в стекле (это как вязкая пашня). И свет поворачивает свой «фронт», луч его преломляется!
Понятно теперь, что чем больше разница в скорости движения света между двумя веществами, тем сильнее поворачивает луч.
Теперь мы можем понять, как устроена линза, и проделать занятный опыт – своими собственными глазами увидеть, как преломляются лучи!
Выпуклая линза, которая действует как увеличительное стекло, устроена так, что проходящие по центру лучи (если линза стоит перпендикулярно лучу) встречают стекло «перпендикулярно» и не поворачиваются. Но чем дальше от центра линзы, тем больше наклон стекла и тем сильнее поворачиваются (преломляются) лучи! Поэтому они все рано или поздно пересекутся в одной точке.
