Винт Архимеда. Все знают, что этот механизм*, созданный в III в. до н.э., сейчас можно встретить почти в каждой квартире: на кухне всегда найдётся мясорубка, а её главной частью является архимедов винт.
Но одно дело знать, а совсем другое – видеть и наблюдать в действии. Однако сделать классический винт Архимеда не так-то просто. Гораздо доступнее та его модификация, которую спустя более 1500 лет после Архимеда придумал Леонардо да Винчи. Он вместо трубы и расположенного по её оси винта со спиральной лопастью использовал навитую на цилиндр по спирали трубку. Такие винты составляли основу водоподъёмных механизмов, применявшихся в самых различных целях. Их главное преимущество перед поршневыми насосами в том, что они успешно справляются с подъёмом жидкостей, сильно загрязнённых илом, песком, глиной и т.п.
Собрать модель винта Архимеда нетрудно. Для этого нужно подобрать цилиндрический стержень диаметром 40–50 мм и длиной 400–500 мм. Лучше всего подойдёт пластмассовая трубка. Можно использовать деревянный вал. Мы склеили цилиндрическую трубку из нескольких слоёв плотной бумаги и для водонепроницаемости покрыли её нитрокраской. Поверхность цилиндра обмотали полупрозрачным пластиковым шлангом диаметром 14–18 мм так, что получилась спираль с шагом 50–70 мм. Концы шланга закрепили на цилиндре проволокой (можно крепить изолентой). Винт Архимеда закрепили на стальном стержне, закреплённом наклонно в штативе. Нижний конец винта погрузили в сосуд с подкрашенной водой. Под верхний конец поставили на подъёмном столике пустой сосуд, в который нужно перекачать воду.
Винт Архимеда медленно вращают руками, взявшись за его верхний конец. Учащиеся видят, что при каждом обороте нижний конец шланга забирает из сосуда порцию воды. По мере вращения винта эти порции постепенно заполняют нижние части витков спирали, поднимаются по вращающемуся винту всё выше и выше, достигают выходного отверстия шланга и поочередно выливаются в верхний сосуд. Как тут не вспомнить слова Галилео Галилея, который об архимедовом винте сказал так: «Это изобретение не только великолепно, но просто чудесно, поскольку мы видим, что вода поднимается в винте, беспрерывно опускаясь».
Демонстрация диффузии в газе и жидкости. В известном руководстве по школьному физическому эксперименту [1] для демонстрации диффузии в газах рекомендуется использовать пары брома, в жид-костях – воду и водный раствор медного купороса. Значительно богаче учебные опыты по диффузии газов и жидкостей представлены в руководстве [2]. Мы предлагаем более простой демонстрационный эксперимент, позволяющий пронаблюдать и сравнить диффузию в газе и жидкости.
Готовят специальный сосуд, состоящий из двух прозрачных стеклянных колб ёмкостью по 50 мл, которые соединены стеклянным патрубком длиной 20 мм и диаметром 10 мм. В воде растворяют фенолфталеин, получившийся раствор наливают в одну из колб так, чтобы поверхность жидкости оказалась ниже перемычки примерно на 10 мм. Во вторую колбу капают несколько капель водного раствора аммиака (нашатырного спирта), колбы закрывают пробками.
Сосуд с жидкостями ставят на подъёмный столик и за ним устанавливают белый экран. Обращают внимание учащихся на то, что сосуды находятся при одинаковой температуре и движение воздуха в них отсутствует. Примерно через минуту поверхность раствора фенолфталеина начинает розоветь. Постепенно окраска становится всё более насыщенной. Явление объясняют тем, что молекулы аммиака диффундируют в воздух, через трубку проникают во вторую колбу, достигают поверхности раствора фенолфталеина, и в результате химической реакции тонкий верхний слой раствора окрашивается. Таким образом, учащиеся получают экспериментальное доказательство диффузии в газах.
Пока учитель объясняет физический механизм диффузии, школьники наблюдают за колбами. Через 5 мин толщина окрашенного слоя раствора фенолфталеина заметно увеличивается. Учитель обращает внимание школьников на то, что верхняя часть слоя окрашена гораздо ярче, чем нижняя. Это свидетельствует о том, что происходит диффузия аммиака внутрь водного раствора, да ещё и окрашенная часть жидкости диффундирует в неокрашенную. К концу урока толщина окрашенного слоя может превысить 2 см.
Анализируя проделанный эксперимент, учащиеся приходят к выводу, что явление диффузии имеет место в газах и жидкостях, причём скорость диффузии в газе значительно больше, чем в жидкости. Учитель говорит, что диффузия существует и в твёрдых телах, но скорость её настолько мала, что для обнаружения диффузии необходимы месяцы и годы.
Нетрудно изготовить аналогичный прибор из двух прозрачных пластиковых туб (диаметр 40 мм, длина 200 мм) с герметично завинчивающимися крышками, соединив тубы посередине отрезком прозрачного пластикового шланга диаметром 12 мм.
Литература
1. Буров В.А., Зворыкин Б.С., Кузьмин А.П и др. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы: Т.1. Механика, теплота: Под ред. Покровского А.А. – М.: Просвещение, 1971.
2. Верховский В.Н., Смирнов А.Д. Техника химического эксперимента: Т.1. – М.: Просвещение, 1973.
_________________________
*Житомирский С.В. Архимед: Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1981.