Н.С.ЗВЕРЕВА,
школа № 4, г. Протвино, Московская обл.
Подзабытое старое
«Зелёный туман» (В.В.Майер, Квант, 1990, № 4; Рассеяние и дифракция света на тумане. «Физика» («ПС») № 44/98)
Проводить эксперимент лучше вдвоём (мальчик и девочка): один создаёт условия, другой проводит наблюдения. Нужен источник света (например, лампочка на 6 В), лишь бы он был небольшим и не слишком ярким. Автор предлагал изготовить чёрный экран с отверстием и разместить источник за этим отверстием. Мы делали не так. На расстоянии 20–40 см от лампочки ставили пластмассовую бутыль ёмкостью 2 л (лучше, конечно, взять, как предлагал автор, стеклянную бутыль ёмкостью 20 л, но у нас такой не оказалось). Предварительно бутыль тщательно вымыли, непосредственно перед опытом ополоснули холодной водой и внешнюю поверхность насухо протёрли, следя, чтобы на стенках ни снаружи, ни изнутри не оставалось воды в виде капелек. Бутыль закрыли пробкой с отверстием для шланга, шланг подсоединли к велосипедному насосу. Включили лампочку, в кабинете создали полумрак и накачали в бутыль воздух.
Один экспериментатор внимательно смотрел на лампочку, другой выключил насос и после небольшой паузы быстро вынул пробку из бутылки. Вокруг лампочки и внутри бутылки стали видны широкие и довольно яркие разноцветные кольца.
Упрощённый вариант эксперимента (предложен также В.В.Майером). Замените бутыль колбой ёмкостью 0,5 л, закройте резиновой пробкой со стеклянной трубкой, на которую надета резиновая груша. При проведении опыта слегка придерживайте колбу двумя пальцами вблизи пробки чтобы не оставлять отпечатков пальцев на стенках.
Что происходит? Накачивая воздух, мы повышаем давление в бутыли. Затем делаем паузу: воздух в бутыли приобретает комнатную температуру. На дне бутыли имеется немного оставшейся после ополаскивания воды, а на стенках – тонкая водяная плёнка. Так что в бутыли находится помимо воздуха насыщенный водяной пар.
Когда мы пробку выдернули, сжатый в бутыли воздух начал расширяться. При этом, поскольку процесс близок к адиабатическому (происходит без теплообмена с окружающей средой), температура воздуха в бутыли понизилась, пар стал перенасыщенным и легко сконденсировался в капельки воды на пылинках, которых много в воздухе. Таким образом, в бутыли образовался туман. Ученики без труда видят его, если смотрят на бутыль сбоку: в момент образования тумана идущий от лампочки световой пучок, рассеиваясь, становится видимым. Туман в бутыли редок, потому что пылинок (центров конденсации) в ней всё-таки мало. Составляющие туман сферические капельки воды прозрачны, значит, свет может преломляться в них. Они достаточно малы, следовательно, свет может дифрагировать на них. И преломление, и дифракция света в принципе могут дать разноцветные кольца. Какое же явление преобладает? Преломлением и отражением света в сферических каплях воды объясняется радуга. Но наблюдать радугу можно лишь под вполне определённым углом. Кроме того, радуга, в первом приближении, не зависит от размеров капель. В опытах же диаметры колец непрерывно изменялись, а это можно объяснить только изменением размеров капелек тумана. Хорошая радуга получается на крупных каплях воды диаметром 1–2 мм, а таких капель в бутыли заведомо нет. Можно сделать вывод, что наблюдаемые в нашем опыте разноцветные кольца обусловлены скорее всего дифракцией света на маленьких каплях.
Можно попробовать вводить в колбу разные «сорта» пыли, набирая её в резиновую грушу с корешков книг, с ворсистой одежды и т.д., а потом проанализировать происходящее.
Удивительный подсвечник (Том Тит. Простые затеи. – Квант, 1992, № 5)
Утяжелите конец свечи гвоздём так, чтобы свеча вместе с гвоздём вся погрузилась в воду и только самый краешек стеарина и фитиль выступали бы над водой. Свеча по мере сгорания будет понемногу всплывать, причём охлаждённый водой стеарин у края будет таять медленнее. Поэтому около фитиля образуется довольно глубокая воронка, благодаря которой свеча и сгорит до конца.
Стеариновый мотор (Квант, 1998, № 8)
Если раскалить две канцелярские булавки и воткнуть их в свечу с двух сторон, посередине, перпендикулярно фитилю, то получим ось двигателя. Затем положим свечу концами булавок на края двух стаканов и добьёмся равновесия. Теперь зажжём свечу с обоих концов: капля стеарина упадёт в одну из тарелок, подставленных под концы свечи. Равновесие нарушится, другой конец свечи перетянет и опустится, с него стекут несколько капель стеарина – он станет легче первого конца и поднимется кверху, первый конец опустится, и т.д. Возникнут колебания. С первого раза может, не получится, приготовьте несколько свечей разного диаметра.