Эксперимент

А если проверить?..

М.А.СТАРШОВ,
СГУ им. Н.Г.Чернышевского, г. Саратов

А если проверить?..

Физику знает хорошо тот школьник,
который самостоятельно ставит опыты,
ещё лучше узнает её тот,
кто сам делает приборы для этих опытов.

Академик П.Л.Капица, нобелевский лауреат

• Физика, все знают, наука экспериментальная, и хорошо, если школьник приобретёт первые навыки работы с физическими приборами, а описания многих эффектных и при этом простых опытов могут пригодиться и учителям. Как раз им адресован следующая задача: «Что произойдёт, если включить в сеть напряжением 220 В две лампы: 60 Вт; 220 В; 3,5 В; 0,28 А?»

Ученики отвечают, что маленькая лампочка немедленно перегорит. Обе лампы соединяют последовательно и включают в сеть – лампы горят нормально, ведь требуемая для нормального накала сила тока одинакова для обеих ламп [1].

Очень похоже на описание реального события, но почему же у меня ученики оказываются точнее автора этого текста? В самом деле, сила тока при нормальном свечении более мощной лампы легко считается: I = P/U 0,27 А, т.е. даже чуточку меньше, чем выбито на цоколе другой лампочки, от карманного фонарика! Могу поделиться своим опытом. Просто нужно параллельно маленькой лампочке припаять кнопку с нормально замкнутыми контактами. Теперь можно спокойно вставлять вилку в сетевую розетку – загорится 60-ваттная лампа. Достаточно секундной паузы, чтобы её спираль нагрелась до своей рабочей температуры, а сопротивление выросло примерно до 800 Ом, т.е. раз в 10 больше «холодного» значения. Нажимая на кнопку, зажигаем и трёхвольтовую лампочку – обе светятся лишь чуть-чуть слабее нормального режима. Есть что обсудить с учащимися.

Обратный совет опубликовал известный учитель и экспериментатор П.П.Головин. Если в слабый раствор соляной кислоты (или в морковку) ввести два электрода, цинковый и медный, и подключить к ним лампочку, то она будет гореть [2]. На рисунке, правда, изображён вольтов столб из четырёх медных и четырёх цинковых кружков, и светится от этого источника светодиод, что не совсем то же, что лампочка. В тексте же уточняется,что «лучше всего их число довести до 5–6 шт. Светодиод может излучать непрерывно несколько часов подряд. Помните, что лампа накаливания от этого источника питания светиться не будет, т.к. пропитанная в растворе бумага имеет большое сопротивление».

• Очень бы хотелось посмотреть на плавающий кубик, в который запрессовывается свинцовая дробинка и «целесообразно добиться такой массы кубика, чтобы он медленно тонул... Процедура повторяется до тех пор, пока кубик не будет устойчиво плавать внутри жидкости (рис. 250)» [3].

Ещё более элегантный вариант этого фокуса описан совсем недавно: «Выпустите из яйца его содержимое через маленькое отверстие в остром конце. Залепите дырочку воском или пластилином, к которому прикрепите на нитке грузик. Массу грузика надо подобрать так, чтобы он удерживал скорлупу почти у дна высокой банки с водой комнатной температуры. Если вынести банку на мороз, то через некоторое время пустое яйцо всплывёт, но вскоре опустится. Если теперь внести банку в комнату, то скорлупа вновь проделает свой путь вверх-вниз» [4].

В этой истории меня больше всего интригует слово «почти»: «...почти у дна...» Пробки некоторых водочных бутылок содержат забавные шарики, стеклянные или пластиковые, и вот в этих последних бывают полости, благодаря чему средняя плотность шарика близка к плотности воды. Добавляя к воде чуточку обычной соли, можно добиться более точного равенства плотностей, так что шарик плавает, чуть касаясь «макушкой» поверхности холодной воды, и опускается на дно, если сосуд с водой и шариком поставить в стакан с водой горячей. На этой простой модели удобно обсуждать принцип действия тепловых машин.

• В те далёкие времена, когда книга была лучшим подарком, одному мальчику на его седьмой день рождения именно книгу и подарили. Было это через несколько лет после нашей великой революции, во время НЭПа, книга же была выпущена, видимо, ещё до Первой мировой войны. И даже не совсем книга. Это были восемь не слишком толстых, страниц по двести, зато с множеством картинок томов «Детской энциклопедии», переведённой, а то и пересказанной с английского издания. В этой книге мальчик нашёл рассказы о множестве явлений природы, а когда вырос, прожил долгую жизнь, достигнув довольно широкой известности как физик почти нобелевского уровня, сам написал блестящую книгу о жизни и науке, не забыв рассказать и об этой энциклопедии. В частности, там есть один эпизод с большим физическим смыслом.

«Была глава об оптических иллюзиях [видимо, оговорка или неточность перевода. Дальше речь идёт скорее о физических опытах. – М.С.], которая меня приводила в восторг. В ней были описаны очень простые опыты из забавной физики, которые, несмотря на то, что я прекрасно понимал их принцип, в моих руках почему-то не удавались. Об одном опыте я храню горькие воспоминания: в энциклопедии было написано, что можно, не опасаясь пролить воду, перевернуть стакан, наполненный до краёв водой и прикрытый листком бумаги, – атмосферное давление должно с избытком компенсировать земное тяготение. Логичность объяснения и простота опыта убедили меня воспроизвести его, к сожалению, над столиком из красного дерева. Отказ атмосферного давления исполнить свою обязанность вызвал гнев моего отца и мог бы навсегда отбить у меня охоту к физике. Может быть, именно отсюда у меня до сих пор некоторое недоверие к предсказаниям теории. Я выразил это чувство много лет спустя в моей вступительной лекции в Коллеж де Франс, говоря о “божественном сюрпризе увидеть явление, предсказанное теорией там, где оно было предсказано, и таковым, как предсказано”» [5].

Можно пожалеть, что юному экспериментатору не пришло в голову проверить силу атмосферного давления над кастрюлей или тазиком, а главное – придержать свободной рукой листок бумаги, пока стакан не примет вертикального положения. После этого руку можно убрать. Воды же в стакане может быть и меньше. Наконец, довольно интересен вариант этого опыта, когда горлышко стакана обвязано марлей или отрезком широкого бинта. Прямо через марлю наливаем воду, прикрываем кусочком бумаги, переворачиваем и убираем бумагу. Вода из этого решета не выливается, пока стакан не будет слегка отклонён от вертикального положения.

• Часто не оставляет ощущение, что авторы описаний просто пересказывают чужие слова или честно думают, что именно таким образом всё и должно происходить. Зачем же проверять, если и так всё понятно? А вот школьнику можно на всю жизнь привить отвращение к науке одним небрежным описанием.

Вот Я.И.Перельман в «Занимательной физике» пишет об одном известном фокусе: «Копейка, которая в воде не тонет, существует не только в сказке, но и в действительности. Вы убедитесь в этом, если проделаете несколько легко выполняемых опытов. Начнём с более мелких предметов – с иголки... Положите на поверхность воды лоскуток папиросной бумаги, а на него – совершенно сухую иголку. Теперь остаётся только осторожно удалить папиросную бумагу из-под иголки...

При известной сноровке можно обойтись и без папиросной бумаги: захватив иглу пальцами посредине, уроните её в горизонтальном положении с небольшой высоты на поверхность воды... Наловчившись в этом, попробуйте заставить плавать и копейку... Всего проще добиться плавания иглы, если смазать её маслом; такую иглу можно прямо класть на поверхность воды, и она не потонет» [6].

Начинается с иглы совершенно сухой, кончается каким-то бутербродом. На самом же деле замечательно просто слегка протереть иголку или канцелярскую скрепку сухими пальцами, уложить на вилочку из сложенной вдвое медной проволоки с приподнятыми кончиками. После этого действительно просто и надёжно кладётся игла на воду, вилочка опускается ниже и выводится из-под иглы. А вот влияние на успех опыта размеров иглы школьник может исследовать сам.

Ещё интереснее той же вилочкой положить на воду алюминиевую шайбу, которая может быть довольно большой, сантиметра полтора диаметром, а уж совсем забавно поведение плоской спиральки, скрученной из медной проволоки диаметром примерно 0,3-0,4 мм. Она уверенно кладётся за отогнутый вверх кончик в центре и стремительно плывёт навстречу наэлектризованной расчёске. Но положите эту же спираль «хвостиком» вниз, под воду, и она, к вашему изумлению, будет отплывать от той же расчёски.

• В учебнике физики для десятого класса под редакцией А.Пинского [7] читаем: «Наличие свободных электрических зарядов в проводниках можно обнаружить в следующих опытах. Установим на остриё металлическую трубу. Соединив проводником трубу со стержнем электрометра, убедимся в том, что труба не имеет электрического заряда. Теперь наэлектризуем эбонитовую палочку и поднесём к одному концу трубы. Труба поворачивается на острие, притягиваясь к заряженной палочке...»

Как бы я хотел своими глазами увидеть эту трубу на иголке или проволочку, лежащую на таком же острие. Да что там лежащую! Она крутится с частотой 30–40 оборотов в секунду, если верить команде из четырех физиков [8]. Вы не поверите, но через два месяца этот подвиг удался и другому автору [9]. Забавно, что ни один из этих героев не знает о колесе Франклина, которому примерно два с половиной столетия...

• Невероятное описание опыта можно найти даже у великого Рене Декарта, в «Рассуждении о методе» которого четыре раза приведён один и тот же рисунок, повторенный гораздо позже в книге об оптике Ньютона [10]: «Когда лучи солнца падают на поверхность призмы MN перпендикулярно или почти перпендикулярно, они проходят в неё без преломления и только на выходе у поверхности NP преломляются. На белой бумаге FGH видны все цвета радуги...» Следует уточнить, что MN – гипотенузная грань прямоугольной призмы, а отсюда мораль: на катетную грань NP лучи-то падают под углом 45° и... пройти через неё не могут, испытывая полное внутреннее отражение, известное уже И.Кеплеру. На белой бумаге в плоскости другого катета уважаемый философ получить не мог не то что спектра, просто свет не мог в принципе дойти до FGH. При этом Декарт очень убедителен в своем рассказе.

Завершать эту заметку следует тем же, с чего она была начата, – обратить внимание читателей на совершенно замечательную книгу Анатоля Абрагама, которую мне приобрести не удалось, но в нашей университетской библиотеке, к счастью, она имеется в двух экземплярах, что позволяет время от времени получать высокое удовольствие, перечитывая её. И не могу не привести слова ещё одного великого человека: «Одно из самых больших удовольствий, которые я получаю при работе над рукописью, доставляет мне мысль о том, что моя работа, быть может, досадит кому-то, занимающему удобное и видное положение. А затем вдруг осознаёшь, что такие люди редко читают» [11].

Литература

1. Исакова С.М. – Физика (ПС), 2004, № 21.

2. Головин П.П. – Физика (ПС), 2003, № 15.

3. Хорошавин С.А. Физический эксперимент в средней школе. – М.: 1988.

4. Леонович А. – Квант, 2007, № 1.

5. Абрагам А. Время вспять, или Физик, физик, где ты был? – М.: Наука, 1991.

6. Перельман Я. И. Занимательная физика. Кн. 1.

7. Физика-10: Под ред. А.А.Пинского. – М.: Просвещение.

8. Карачи А.И. др. – Квант, 2000, № 4.

9. Юный техник, 2000 г., № 6.

10. Погребысская Е.И. Оптика Ньютона. – М.: Наука, 1981.

11. Гэлбрейт Дж.-И. Жизнь в наше время. – М.: Прогресс, 1986.