В.Ф.ШИЛОВ,
ИСМО РАО, г. Москва

 

Колба в физических опытах

Далеко не очевидный факт для учащихся – воздух имеет вес – когда-то доказывался опытным путём, а именно взвешиванием стеклянного шара ёмкостью 1 л. Такие шары уже не выпускают, но можно воспользоваться колбой ёмкостью 1 л. Колбу закрывают каучуковой пробкой с плотно посаженной по центру стеклянной трубкой, которая снабжена притёртым краном. С такой колбой можно поставить и ещё ряд опытов.

1. Необходимость среды для распространения звука. Звук хорошо распространяется в твёрдой, жидкой и газообразной средах, но не распространяется в вакууме. Для доказательства этого утверждения в колбу помещают малогабаритный, например, от плеера, телефонный наушник. Для этого в пробке шилом протыкают два отверстия и через них пассатижами проталкивают медную проволоку диаметром до 1 мм. К нижним концам проводников присоединяют телефон (наушник), а к верхним – провода от выходных зажимов звукового генератора.

Стеклянную трубку соединяют с разрежающим тубусом насоса. Открывают кран и наблюдают, как по мере откачивания воздуха из колбы звучание телефона становится всё слабее и слабее. Полностью звучание не прекращается из-за неполного откачивания воздуха и звукопроводности проводов.

2. Демонстрация устойчивого равновесия. В колбу насыпают песок на треть, наливают немного воды для смачивания песка и закрепляют колбу вертикально в штативе. Когда вода отстоится, её излишки сливают, чтобы закрепить песок в нижней части колбы.

Затем колбу ставят на поверхность стола. При отклонении горла колбы в сторону, она возвращается в первоначальное положение, т.е. ведёт себя как «ванька-встанька», демонстрируя устойчивое равновесие.

3. Конвекционные потоки в жидкости. В колбу наливают воду примерно до половины и закрепляют в штативе. В воду опускают стеклянную трубочку так, чтобы она одним концом касалась дна, и через неё насыпают кристаллики марганцовки. Закрыв пальцем верхний конец трубочки, вынимают её. Под колбу помещают слабо горящую спиртовку и наблюдают, как бор-довые струйки поднимаются в середине колбы и опадают вдоль стенок, – это конвекционные потоки, благодаря которым вода постепенно окрашивается однородно в бордовый цвет.

 

4. Объёмное расширения воздуха и воды. Коэффициент объёмного расширения определяют с помощью экспериментальной установки, изображённой на рисунке. В колбу наливают воду (лучше подкрашенную) и рассчитывают коэффициент по формуле , где V (приращение объёма) определяют по показаниям шприца, t (изменение температуры) – по термометру мультиметра, V₀ (начальный объём колбы) определяют по показаниям измерительного цилиндра, выливая в него воду.

 

 

5. Изменение плотности воды при замерзании. Колбу заполняют водой (лучше её подкрасить) и закрывают пробкой, через которую пропущены провода термопары, подсоединённые к термометру мультиметра, и стеклянная трубочка. Колбу закрепляют в штативе и опускают в сосуд из прозрачной пластиковой бутылки. Сосуд заполняют охлаждающей смесью изо льда и соли. Через равные промежутки времени записывают температуру и уровень воды в трубочке. Смесь в сосуде периодически встряхивают.

По мере охлаждения колбы объём воды в трубочке уменьшается до тех пор, пока температура не станет равной 4 °С, после чего объём воды начинает увеличиваться, хотя температура всё понижается до 0 °С. Это говорит о том, что вода имеет минимальный объём и наибольшую плотность при 4 °С.

6. Кристаллизация гипосульфита. Заполнив колбу гипосульфитом, расплавляют его на слабом огне. Затем гипосульфит охлаждают до комнатной температуры, но он остаётся жидким, хотя температура отвердевания его выше комнатной. Через трубочку опускают несколько мелких кристалликов твёрдого гипосульфита, которые, попадая в жидкую фазу, моментально вызывают кристаллизацию вещества по всему объёму. Коснувшись колбы спаем термопары, фиксируют повышение температуры. Это свидетельствует о том, что внутренняя энергия вещества в жидкой фазе больше внутренней энергии этого же вещества в твёрдом состоянии.

7. Модель пульверизатора. С помощью груши воздух продувают через горизонтальную стеклянную трубочку. При этом над отверстием вертикальной трубочки, опущенной в колбу с водой, согласно закону Бернулли, возникает разрежение, и атмосферное давление гонит воду вверх по трубочке. Вода подхватывается струёй воздуха и распыляется. Чтобы атмосферное давление «работало», в пробке должно быть сквозное отверстие.

8. Необходимость атмосферного давления для работы насоса. Если колбу полностью наполнить водой и в отверстие в пробке вставить хвостовик шприца так, чтобы в месте соединения пробки и шприца не было воздуха, то поднять поршень шприца не удастся, потому что на воду не будет действовать атмосферное давление.

9. Получение направленной струи воды. Собирают установку по рисунку, закрывают зажим. Нагнетают воздух в колбу и закрывают кран – вода в колбе будет находиться под давлением больше атмосферного. Если зажим открыть, вода начнёт бить узкой струёй, которую можно направить на водяное колесо или водяную турбину.

С помощью этой струи можно также демонстрировать траекторию движения тела, брошенного горизонтально или под углом к горизонту.

Для надёжности пробку следует закрепить на колбе изоляционной лентой или скотчем, а лучше – проволокой, как это делают с бутылкой шампанского.

10. Нагревание проводов линии электропередачи. В колбу помещают несколько метров тонкого двухжильного провода, а стеклянную трубку, ведущую в колбу, соединяют с жидкостным манометром. Вначале подсоединяют провод к источнику низкого напряжения (4 В). Увеличивая ток с помощью реостата, который является в данном случае потребителем, наблюдают увеличение показаний манометра в результате расширения воздуха в колбе при нагревании проводов. Затем подсоединяют провода к источнику более высокого напряжения (36 В), и убеждаются в том, что при передаче той же мощности провода практически не греются.

11. Моделирование хода лучей света в глазу. Колба с водой – это сферическая линза и может служить моделью глаза. Колбу наполняют мыльной водой, чтобы был виден ход лучей света. От осветителя на неё направляют пучок параллельных лучей через собирающую линзу так, чтобы лучи фокусировались на задней стенке колбы. Линза моделирует хрусталик глаза, задняя стенка колбы – сетчатку. Для нормального глаза изображение получается на сетчатке.

Заменяют «нормальную» линзу на линзу с более коротким фокусным расстоянием и получают изображение перед сетчаткой – модель близорукого глаза. Для коррекции «зрения» впереди ставят рассеивающую линзу и получают изображение на сетчатке.