Александр Дмитриев - Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей
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.
Так что везде, где есть разница в скорости света (это называется «граница сред»), лучи поворачивают. Например, знаменитый мираж в пустыне, когда кажется, что прямо на горячем песке появляется вода, происходит оттого, что скорость прохождения света в горячем воздухе отличается от скорости прохождения в холодном. Лучи поворачивают, и мы видим… небо. Нам кажется, что в песке озеро – а это мираж.
Попробуйте, лежа на пляже, посмотреть на пейзаж вдаль над песком в жаркий день. Вы увидите, как дрожит воздух, – так же дрожит он над костром или нагретой плитой. Это лучи, попадая в завихрения с разной температурой, «пляшут» и изгибаются в разных направлениях, работая как воздушная линза.
82
Сгибание бумаги силой воли
Для опыта нам потребуется: тонкий листочек бумаги.
Это очень простой опыт, который показывает, как предметы реагируют на изменение влажности окружающей среды. Что такое влажность, скажем, атмосферы? Это, если очень упростить, количество воды в воздухе. Вокруг нас летают множество маленьких капелек и даже молекул воды. Они такие маленькие, что глаз их не видит. Но они есть. Когда их становится слишком много, например, в бане, то на более холодных предметах они оседают в виде росы.
Можно ли увидеть прямо своими глазами действие этих капелек, молекул? Убедиться, что они действительно существуют?
Проделаем простой опыт. Возьмем достаточно тонкий листочек бумаги, небольшой по размерам. Положим на сухой стол. Листочек как лежал, так и будет лежать. С ним ничего не происходит. На листочек со всех сторон воздействует одинаковый по влажности воздух.
Листок бумаги изгибается «силой воли»… Вы увидите, что листочек начнет изгибаться! Как на фотографии, где мой внук Женя держит бумажку на ладони и «гнет» ее силой воли.
А теперь пустим струю очень теплой воды, намочим руку, подержим чуть подольше, чтобы рука нагрелась и стала мокрой. Быстро вытрем руку полотенцем, чтобы воды на ней не было, но она еще оставалась чуть влажной. Положим на ладонь этот листок и будем на него просто смотреть.
Что же происходит в нашем опыте?
Остатки воды испаряются с нагретой руки и повышают влажность между ладонью и листком. Вода, невидимая глазу, впитывается в бумагу. Бумага же делается в основном из дерева, тонко-тонко перемолотого. Та сторона бумаги, которая обращена к ладони, набухает – как набухает кусок дерева, брошенный в воду. Недаром бочки после изготовления, лодки, топоры кладут в воду – чтобы дерево набухло и прочнее держалось, чтобы исчезали щели или прочнее держалась деревянная рукоять топора в железе. Набухая с одной стороны, бумага расширяется и заставляет изгибаться весь листок! Вот и вся физика. Просто и эффектно.
Можно даже показать красивый и простой фокус. Выйти из ванной, где рука будет «подготовлена» (нагрета, намочена и вытерта), и заявить, что силой мысли вы заставите сворачиваться листок бумаги на ладони. Положить листик на руку и делать вид, что вы его «гипнотизируете». Физика проделает фокус за вас!
83
Еще раз про силы сцепления
Для опыта нам потребуются: два кусочка стекла или два маленьких зеркальца.
Мы помним, как иголка плавала на воде в одном из наших опытов. Помогали ей плавать силы поверхностного натяжения. Но вот вопрос: можно ли почувствовать силу взаимодействия атомов, понять, насколько она велика? Давайте проделаем простой опыт, в котором мы буквально ощутим, насколько сильны атомарные силы, с какой мощью приходится сталкиваться, когда в действие вступают силы притяжения атомов между собой.
Для этого нам понадобятся два кусочка стекла. Чтобы не порезаться, лучше всего взять два маленьких зеркальца – у них края не такие острые и, кроме того, они достаточно толстые для опыта. Но могут подойти и просто два небольших кусочка оконного стекла, только надо аккуратно с ними обращаться. Стекла должны быть чистые, лучше всего их сначала промыть с мылом.
Намочим стекла обычной водопроводной водой. Положим одно стекло на другое. Теперь попробуем оторвать одно стекло от другого пальцами.
Оказывается, сдвинуть вбок стекло очень легко, а вот оторвать – для этого нужны довольно значительные усилия!
Дело в том, что плоскости стекол достаточно ровные и между ними пролегает тонкий слой воды. Вступают в действие силы сцепления – атомы притягивают друг друга, и возникает даже для двух небольших кусочков стекла очень большая сила сопротивления «отрыву»!
Ученые используют атомарные силы, подобные проявившимся в нашем опыте, для различных процессов. Например, есть метод холодной сварки металлов. Поверхности двух металлических деталей обрабатываются так, чтобы очень точно прилегать друг к другу. Делается эта обработка без доступа воздуха, чтобы поверхность металла не окислялась, то есть не возникала защитная пленка из окисленного металла на поверхности.
После этого достаточно приложить друг к другу две детали так, чтобы поверхности совпали, и плотно прижать – атомы двух поверхностей притягиваются с такой силой, что образуют практически единый кусок. Детали «свариваются» без всякого нагрева, клея, как бы сами собой!
Прямо как наши кусочки стекла – только наши хотя бы сдвинуть вбок можно, потому что жидкий слой воды между стеклами все-таки сохраняет свои свойства текучести.
84
Как отличить подделку, или О состоянии вещества
Для опыта нам потребуются: кусочек янтаря или канифоли, кусочек пластмассы, иголка.
Есть сложные способы отличить состав вещества, обычно это уже даже не физика, а химия. Определить, из чего состоит вещество, часто бывает нужно – в работе милиции, чтобы поймать преступника. В работе археолога, чтобы понять, из чего наши далекие предки делали свои вещи. В работе искусствоведа, чтобы понять, не подделка ли ему попалась… И еще антиквары и ювелиры часто должны определять, из чего состоит украшение.
Самый первый исторический анекдот про подобную задачу известен еще со времен великого физика Архимеда. Архимед, древний грек, по заданию царя пытался определить, не подмешали ли в золотую корону других сплавов – и открыл знаменитый закон Архимеда. Но про это много где написано.
А вот как определить, из янтаря ли сделано украшение или из пластмассы? Здесь нам на помощь тоже приходит физика. Дело в том, что отрезать от украшения достаточно большой кусок никто не даст. Это испортит саму вещь. Но мы знаем, что вещество может быть в нескольких физических состояниях – например, жидком, твердом, газообразном, плазменном… Например, вода в твердом состоянии – лед, а в газообразном – пар.
Так вот, вещество в твердом состоянии занимает сравнительно небольшой объем. Если же оно переходит в газообразное состояние (пар), то объем вещества стремится увеличиться до очень больших пределов.
Если газообразное вещество ничто не сдавливает (например, другой газ или стенки сосуда), то в принципе оно может расширяться до бесконечности. Причем отдельные молекулы газа летают со скоростью ружейной пули!
Если бы молекулы газов не стукались друг об друга и не тормозили из-за этого, мы бы чувствовали запах пролитых духов за двести метров через одну секунду!
Так вот, это самое свойство веществ находиться в разных состояниях используют иногда антиквары (специалисты по старым вещам) и ювелиры для определения, из янтаря сделано ли украшение или это подделка из пластмассы.
Как это делается? Накаляется тонкая иголочка, и этой раскаленной иголочкой слегка касаются янтаря там, где это незаметно на украшении (например, снизу, у металлического ободочка).
И нюхают!
Микроскопическое количество вещества переходит в газообразное состояние, расширяется и попадает в нос к ювелиру. Если это пластмасса, запах неприятный – все знают, как пахнет горелая пластмасса. А если янтарь – запах приятный, как от горящей смолы.
Мы можем заменить янтарь обычной канифолью. Она продается в магазинах для паяльников. Если нагретой иголкой (иголку можно нагреть на свечке, только брать ее надо щипцами, чтобы не обжечься) дотронуться до кусочка канифоли, то мы почувствуем приятный «смоляной» запах. А если до кусочка пластмассы, например от старой игрушки, – то неприятный. Так состояние вещества позволяет отличить один материал от другого!
85
Пуговица-жужжалка
Для опыта нам потребуются: большая пуговица, веревочка или длинный шнурок.
