Элементы статики занимают в курсе физики 9-го класса очень малое место, хотя эта тема имеет огромное практическое значение: ни одна конструкция немыслима без знаний условий устойчивости и видов равновесия. Поэтому очень важно показать учащимся виды равновесия, способы увеличения устойчивости конструкций самых разных конфигураций, увеличения жесткости.
Продемонстрировать виды равновесия достаточно просто с помощью металлической линейки и катка от демонстрационного трибометра. Закрепляем концы линейки в лапках от штатива с обоих концов тремя различными способами (см. рисунок), а сверху на нее кладем каток. В случаях а и б линейка крепится за самые концы, а в случае в каждый конец выступает на четвертую часть длины линейки.
При выведении катка из состояния равновесия замечаем, что:
– в первом случае он не может
вернуться самопроизвольно в первоначальное
положение, т.е. равновесие было неустойчивым,
положение центра тяжести системы стало ниже, ее
потенциальная энергия уменьшилась;
– во втором случае каток самопроизвольно
возвращается в первоначальное положение,
следовательно, равновесие в этом случае
устойчивое, центр тяжести катка стремится занять
самое нижнее положение из возможных, что
соответствует наименьшему значению его
потенциальной энергии;
– в третьем случае каток никак не реагирует на
изменение своего положения, центр тяжести
остается на прежнем уровне, т.е. равновесие
безразличное, потенциальная энергия не
изменяется.
Способ увеличения жесткости конструкции можно показать так. Зажимаем опять линейку в лапках штатива и кладем на ее центр каток. Обращаем внимание учащихся на то, как прогнулась линейка под тяжестью груза.
Теперь поворачиваем линейку на 90°, длинным ребром вверх, и опять на ее центр кладем каток. Отчетливо видно, что прогиба практически нет, т.е. жесткость горизонтальной опоры возросла (чтобы каток не упал с линейки, на нем, приблизительно посередине, можно сделать бороздку или прикрепить небольшой шарик из пластилина).
Мы все время подчеркиваем, что
равновесие тела тем устойчивее, чем ниже его
центр тяжести, чему соответствует наименьшее
значение потенциальной энергии. Демонстрацией
этого служит игрушка «Неваляшка». Модель такой
игрушки можно сделать достаточно наглядной.
Берем круглодонную колбу и насыпаем в нее песок,
приблизительно на одну 
четвертую
часть объема. Затем в колбу наливаем воды, чтобы
она смочила весь песок. Чтобы мокрый песок стал
«крепким», колбу ставим вертикально, подождем,
пока песок отстоится, и сольем воду. Если теперь
колбу поставить на горизонтальную поверхность,
она будет сохранять равновесие. Наклоняем ее в
разные стороны, и учащиеся наблюдают, что,
предоставленная самой себе, колба
самопроизвольно возвращается в первоначальное
положение. Просим объяснить наблюдаемое явление.
(После демонстрации песок легко «вымыть» из
колбы.)
Можно обсудить вопросы: почему фундаменты домов по площади делают больше «полезной» площади и очень массивными; как положить балки перекрытий, чтобы они выдерживали бо1льшую нагрузку и т.д.
В завершение просим учащихся объяснить поговорку: почему легче стоять, чем бежать, сидеть – чем стоять, лежать – чем сидеть?
При первоначальном изучении геометрической оптики полное внутреннее отражение не рассматривается. Есть много способов показать этот эффект минимальными подручными средствами.
В высокой пластмассовой бутылке, около дна, вырезаем отверстие и подбираем пробку, чтобы его можно было плотно заткнуть. Всю бутылку закрашиваем темной краской или закрываем темной бумагой, но напротив вырезанного отверстия оставляем незакрашенное окошко. Наполняем бутылку водой. Напротив окошка ставим осветитель, открываем пробку, и учащиеся наблюдают, как из отверстия вытекает сверкающая струя.
Свет падает изнутри струи на границу раздела вода–воздух, при этом в первое время угол падения a больше угла полного внутреннего отражения j (sin j = 1/n, где n – абсолютный показатель преломления воды, равный 1,33, т.е. угол полного внутреннего отражения на границе вода–воздух приблизительно равен 49°). Свет не выходит за пределы струи, и она кажется сверкающей. [По-видимому, из-за рассеяния света в воде, которое не испытывает полного отражения. – Ред.] По мере вытекания воды струя падает все ближе к основанию сосуда, ее изгиб становится все круче, угол a уменьшается, и начинает казаться, что струя темнеет, т.к. теперь на границе вода–воздух свет частично отражается внутрь струи, а частично выходит в воздух.
Чтобы опыт прошел более эффектно, установку лучше поставить достаточно высоко – на демонстрационный столик. Емкость, в которую будет сливаться вода, должна быть широкой и придвинута вплотную к демонстрационному столику. Если воду подкрасить флуоресцирующей жидкостью, то струя будет сверкать, как поток драгоценностей.
В 8-м классе мы строим изображение предмета в плоском зеркале. Наглядно показать, что изображение в плоском зеркале симметрично предмету относительно зеркала, а также, что это мнимое изображение, может помочь демонстрация по рисунку на с. 123 в учебнике «Физика-8» А.В.Перышкина. Перед стеклом (которое заменяет зеркало) ставим зажженную свечу, а по другую сторону симметрично ставим другую. Если смотреть перпендикулярно стеклу, то две свечи очевидно сливаются в одну. Теперь вторую свечу убираем и видим, что точно на этом месте остается изображение первой свечи. Делаем вывод, что изображение в плоском зеркале находится на таком же расстоянии от зеркала, что и сам предмет. Ставим на месте, где находится изображение, экран: на экране никакого изображения не наблюдается. Делаем вывод, что изображение является мнимым.
Полезно решить следующую задачу: какого минимального размера должно быть зеркало, чтобы человек видел себя во весь рост при условии, что зеркало висит вертикально и его верхний край находится на уровне макушки человека?
Решение очевидно из рисунка: Н : h
= 2а : а = 2, т.е. длина зеркала должна составлять
половину роста человека. Хотя эта задача
рассматривается в 11-м классе, учащиеся 8-го класса
вполне с ней справляются.
Также можно объяснить ученикам,
как найти «область видения» изображения всего
предмета в плоском зеркале, но требовать это при
проверке знаний в качестве обязательного
элемента не стоит.
Задачу на построение изображения предмета в двух зеркалах можно сформулировать в виде вопроса: сколько изображений получается в двух зеркалах? – и рассмотреть несколько случаев взаимного расположения зеркал: с тупым углом между ними (а), прямым (б) и острым (в).
После построения просим учащихся решить: от чего зависит количество изображений, получаемых в плоском зеркале? Вывод: чем меньше угол между зеркалами, тем больше число изображений.
А если зеркала параллельны друг
другу? Изображений должно быть бесконечно много.
Между двумя параллельными зеркалами помещаем
яркую игрушку, и ученики убеждаются в
правильности высказанного ими утверждения.
Зеркала размером не менее 20 ґ 20 см нужно расположить по диагонали демонстрационного стола на расстоянии приблизительно 1 м друг от друга.
Эффективным инструментом служит лазерная указка: она вполне доступна для приобретения, мала по размерам, ее мощности хватает для демонстрации в слегка затемненном классе: на кафедру ставим экран с закрепленным на нем листом белой бумаги, в лапке штатива зажимаем лазерную указку.
Лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости. На кафедру кладем плоское зеркало и направляем на него лазерный луч таким образом, чтобы он скользил по экрану. Тогда видно, что и отраженный луч расположен в плоскости экрана. Если повернуть немного экран, так, чтобы первый луч остался в его плоскости, но перпендикуляр, восстановленный к границе раздела двух сред, вышел из плоскости, то второй луч уже не наблюдается.
Угол падения равен углу отражения. Схема опыта аналогична, но, отметив на бумаге ход падающего и отраженного лучей и восстановив в точке падения перпендикуляр, транспортиром измеряем углы падения и отражения и убеждаемся, что они равны.
Поляризация световых волн. Закрепив в лапке штатива поляроид, направляем на него лазерный луч. Вращая поляроид вокруг его центральной оси, наблюдаем на экране ослабление и усиление интенсивности светового пятна.
Дифракция световых волн. В лапке штатива закрепляем экран со щелью (дифракционную решетку, иголку и т.п.), направляем на щель (острие) луч и наблюдаем картину чередующихся светлых и темных полос. Отодвигая экран, обращаем внимание учащихся на то, что полосы становятся шире, а их яркость заметно уменьшается.
Самая отчетливая картина получается с дифракционной решеткой. Хорошо поставить разные решетки и проследить зависимость от количества штрихов на миллиметр. С остальными предметами картинки значительно слабее, поэтому комнату надо хорошо затемнять.
