Занимательные опыты по физике

Я уже 14 лет работаю учителем физики и все эти годы выписываю свою главную помощницу – газету «Физика (ПС)», – ведь работаю я в сельской школе, единственный физик на четыре села вокруг, так что советоваться приходится именно с газетой. Решилась представить свою разработку предпрофильного курса. Мои ученики выбирают этот курс вот уже два года. Некоторые увлекаются так, что и летом продолжают работать. В прошлом году трое учащихся провели исследования по заинтересовавшей их теме и выступили осенью на областной конференции учащихся в Томском госуниверситете.

С уважением, Татьяна Васильевна Беляева.

О, сколько нам открытий чудных Готовят просвещенья дух, И опыт, сын ошибок трудных, И гений, парадоксов друг, И случай, бог-изобретатель.

Опыт – источник физического знания и критерий его достоверности. «Познание начинается с удивления», – эта древняя мудрость говорит о первом и непременном условии любого образования. Способность удивляться – великий дар природы, который помогает не только учиться, но и жить. Предлагаемый курс и рассчитан на тех учащихся, которые хотят глубже понять физические явления на опыте. Эти опыты просты, но явления, на которых они основаны, гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Простые опыты принято называть научными развлечениями. Научными – потому что, делая их, ученики узнают что-то новое о явлениях природы, задумываются, что происходит, начинают интересоваться причинами физических явлений. А развлечениями, потому что во всех этих опытах есть что-то неожиданное, подчас необъяснимое. Для проведения опытов понадобится то, что есть под рукой, – стаканы, пуговицы, пластиковые бутылки, нитки, свечи, стержни от шариковых ручек и т.п.

«Многознание ничему не научает», – сказал древний философ. Настоящее образование человек получает только тогда, когда сам ищет ответы на возникающие у него вопросы. А научиться задавать вопросы даже труднее, чем отвечать на них. На занятиях ставится эксперимент, и дети сами должны объяснить наблюдаемое явление, они спорят, ошибаются, ищут ответ в различных справочниках и учебниках, в том числе электронных. Обстановка в классе максимально психологически комфортная, ребята не боятся выглядеть глупо или смешно, если дают неправильный ответ, ведь не ошибается тот, кто ничего не делает.

Курс состоит из трёх независимых блоков. При изучении первого блока ученик, выполняя на уроках простые опыты, знакомится с рядом физических явлений; при изучении второго блока он встречается с теми же явлениями, но уже связанными с изучением космического пространства (интерес к космосу в настоящее время так велик, что обойти молчанием эту тему трудно); при изучении последнего блока ребята, используя полученные знания, самостоятельно изготавливают по своему выбору приборы или игрушки.

Цели и задачи курса: повышать интерес к физике и способствовать её лучшему усвоению; помочь профориентационному самоопределению учащихся; помочь видеть «тайны» окружающих явлений, объяснять их, используя научные методы; учить наблюдать, анализировать, логически мыслить; формировать элементы научного и политехнического стилей мышления, развивать творческие способности.

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

БЛОК 1. Простые опыты (1 ч на занятие, всего 9 ч): 1) давление воздуха; 2) жидкости; 3) колебания и звук; 4) трение; 5) центр тяжести; 6) инерция; 7) свет; 8) электромагнетизм; 9) заключительное занятие – презентация.

БЛОК 2. «Космические» опыты по темам (1 ч на занятие, всего 8 ч): 1) атмосфера и пустота (вакуум-насос из промокашки; разрежение при остывании; воздух побеждает железо); 2) невесомость; поиск наименьшей поверхности; жидкий шар; невесомость вокруг нас); 3) теплота (излучение; теплопроводность; конвекция; расширение при нагревании; космический опыт Ж.Верна); 4, 5) законы движения («мёртвая петля»; «лунный» опыт; инертность; три мячика); 6) реактивное движение (реактивный корабль; управляемая микроракета; реактивные игрушки); 7) планета Земля – космический волчок (доказательство вращения Земли; модель маятника Фуко; Луна вращает Землю); 8) сквозь бездну времени и пространства (солнечный зайчик; «радуга» в космосе; спектр).

БЛОК 3. Учение с развлечением (1 ч на занятие, всего 12 ч): 1) «ваза Тантала»; 2) дальние родственники кино; 3) ожившая тень; 4) калейдоскоп; 5) оценка и контроль знаний; 6) реактивный корабль; 7) простая ракета; 8) Геронов фонтан; 9) вибрационный двигатель; 10) простые паровые двигатели; 11–12) оценка и контроль знаний, презентация своих работ.

Блок 1 заканчивается конференцией (можно с приглашением учащихся младших классов) или праздником «Фестиваль науки» с приглашением родителей, учителей, друзей, где ребята демонстрируют различные опыты и объясняют их суть. Оборудование для опытов можно также сделать самим. Блоки 2 и 3 заканчиваются презентацией работ: дети представляют изготовленные ими приборы (или игрушки, по выбору), составляют к ним паспорт и защищают перед классом. Можно подготовить и компьютерную презентацию.

Гальперштейн Л. Здравствуй, физика! – М.: Детская литература, 1973.

Даминов Р., Даминов Р. Физический эксперимент. Это просто! – Казань: Новое знание, 2000.

Перельман Я.И. Занимательная физика. – М.: АСТ, 2006.

Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. – М.: Просвещение, 1985.

Материалы из журнала «Наука и жизнь», рубрика «Ваше свободное время» («Физпрактикум»).

Рабиза В.Г. Простые опыты. – М.: Детская литература, 2002.

Хуторской А.В. Увлекательная физика. – М.: Аркти, 2000.

Приводим небольшую подборку интересных опытов*.

«Ваза Тантала». Эта игрушка появилась в конце XIX в. Её «секрет» – в действии простейшего гидростатического устройства – сифона, или U-образной заполненной водой трубки с коленами разной длины. Своё название игрушка получила по греческому мифу, согласно которому лидийский царь Тантал был осуждён Зевсом на вечные муки: он должен был страдать от голода и жажды. Когда Тантал протягивал руку к усыпанным плодами веткам деревьев, они мгновенно поднимались. Стоя в воде, Тантал не мог напиться, хотя вода и поднималась до рта, – стоило ему немного наклониться, как вода мгновенно исчезала.

Для изготовления игрушки нам понадобятся пластиковая бутылка, резиновая трубка и пластилин. Отрезаем верхнюю часть бутылки, а в дне делаем небольшое отверстие. В отверстие плотно вставляем резиновую трубку так, чтобы один её конец свисал сантиметров на десять, а другой конец сворачиваем петлёй внутри сосуда так, чтобы выходное отверстие было бы у самого дна, но не упиралось в него. Верхняя часть петли должна находиться на уровне груди будущей фигурки, ниже подбородка.

Сделав заметки на трубке, для удобства работы вынимаем её из сосуда, обкладываем пластилином, придавая форму скалы, а перед ней помещаем фигурку Тантала, тоже из пластилина. Важно, чтобы Тантал устойчиво стоял на дне. Выходное отверстие трубки должно выглядывать (незаметно) из пластилиновой скалы вблизи дна. Ставим сосуд на доску с заранее сделанным отверстием для трубки, под трубку ставим ёмкость для слива воды. Всё это драпируем, чтобы не было видно, куда исчезает вода.

У нас получился сифон. Когда вода, текущая тоненькой струйкой из-под крана, постепенно заполняет сосуд, заполняется и резиновая трубка. Достигнув верха петли, вода начнёт сливаться [под действием разности давлений. На массу воды m в вершине петли действует со стороны короткого отрезка давление p0 – gh1, где p0 – атмосферное давление, – плотность воды, g – ускорение силы тяжести, h1 – высота столба воды в сосуде, а со стороны длинного отрезка – давление p0 – rgh2, где h2 – высота (длина) сливной трубки. – Ред.]. Вытекание прекратится, когда уровень воды достигнет выходного отверстия трубки у ног Тантала. Сосуд наполняется вновь, и вновь в определённый момент вода начинает сливаться. Ясно, что струйка воды из-под крана должна быть тоньше вытекающей струи.

Вибрационный двигатель. Вибрации машин и механизмов нередко приводят к различным неприятностям – отвинчиваются гайки, расширяются трещины в деталях, ползут по гладкому полу тяжёлые ящики… Но эти же явления используют для транспортировки сыпучих материалов по трубам, вибрационной обработки материалов, бурения и даже подъёма воды. На этой же основе работает занимательная игрушка, которую можно сделать за несколько минут (автор К.Мосолов из Ленинграда; см. «Науку и жизнь», 1965, № 3).

Берём гладкую деревянную палочку длиной 15–20 см и толщиной около сантиметра. На палочке через равные промежутки делаем 10–15 небольших зарубок. Из тонкой алюминиевой банки вырезаем небольшой пропеллер и тонким гвоздиком или булавкой прикрепляем к торцу палочки или сбоку (пропеллер должен свободно вращаться) – игрушка готова. Берём её в левую руку, а в правую карандаш и, слегка прижимая его к палочке, двигаем вперёд и назад по зарубкам. Подобрав скорость движения, можно заставить пропеллер вращаться со всё увеличивающейся скоростью.

Механизм явления очень прост. При движении карандаша по зарубкам палочка начинает вибрировать. Пропеллер сделать абсолютно симметричным не удаётся, центр его тяжести всегда немного смещён. Поэтому под действием колебаний он начинает раскачиваться подобно маятнику. Если толчки приходят в резонанс, размах колебаний быстро возрастает, переходя во вращение. Игрушку можно сделать более занимательной, если на палочку наклеить модель самолёта или вертолёта из пенопласта.

Загадка бронзового таза. Скотт Моррис много лет вёл раздел «Игры и головоломки» в американском журнале «ОМNI». Он-то и рассказал на одной из встреч международного клуба любителей головоломок об удивительном китайском «Рыбном тазе», показал его в действии и раскрыл секрет. Показанный на фото (см. с. 4) бронзовый таз – современная копия «Рыбного таза-фонтана», редкости времён династии Мин (1368–1644). Бронзовая чаша таза украшена барельефами рыб, испускающих фонтаны воды.

Китайский таз с барельефами рыб и бьющие из них фонтаны

Если наполнить таз водой и мокрыми руками медленно и ритмично тереть противоположные края, то таз начинает гудеть. После небольшой практики можно заставить этот перевёрнутый колокол гудеть определённым тоном. (Так же звучит бокал для шампанского, если водить мокрым пальцем по ободу.) Поверхность воды покрывается рябью, и в четырёх точках возникают пучности колебаний: вода в них начинает как бы кипеть, разбрызгиваясь над поверхностью. Высота фонтанчиков доходит до 50 см. Эти точки находятся точно над головами рыб, изображённых на дне таза, и создаётся впечатление, что фонтаны порождают рыбы. (Джозеф Нидхам, первым описавший эти тазы в 1962 г. в книге «Наука и цивилизация Китая», предположил, что эффект объясняется рисунком на дне чаши, где струи изо ртов рыб, рельефно изображённых на дне, продолжаются и по бокам чаши.) Однако бронзовые тазы искусных китайских мастеров имели четыре «особые точки», даже если на дне не было рисунка. Если тереть сильнее и под разными углами, можно наблюдать фонтаны в шести или восьми местах. Тот же эффект и даже более сильный наблюдается и с перевёрнутой алюминиевой крышкой от бака.

Способность стеклянных бокалов петь известна много сотен лет. Нужно взять бокал с тонкими стенками и тщательно вымыть горячей водой с мылом сам бокал и руки, чтобы обезжирить их. Самый чистый и красивый звук получается, если мокрым пальцем с лёгким нажимом скользить по верхней кромке бокала. Множество людей знают этот фокус с бокалом, но только один захотел превратить его в полезную вещь. Он заказал стеклодуву шестнадцать чаш разных размеров с отверстиями в дне и укрепил их на общей горизонтальной оси так, чтобы её можно было вращать. Получился оригинальный музыкальный инструмент, на котором играли мокрыми пальцами. Это было в 1763 г., а затем в течение трёх лет женщина-музыкант по фамилии Дэвис объехала с новой музыкой Америку, Англию, Францию и Германию. Человек, решивший создать новый музыкальный инструмент, до этого изобрёл громоотвод, назвал Гольфстримом течение, идущее от берегов Америки к Северной Европе, участвовал в создании Декларации независимости США, ввёл знаки «+» и «–» для обозначения полярности электричества. Конечно же, это был Бенджамин Франклин (1706–1790). (См. также статью Бражникова М.А. «Стеклянная гармоника Франклина» в «Физике» № 9/2007. – Ред.)

То же происходит, если по краю тонкой металлической пластинки провести скрипичным смычком, – пластинка зазвучит, т.к. в ней возникнут стоячие волны. Если посыпать пластину мелким песком, то отдельные песчинки будут перемещаться с мест пучностей в места узлов, на песке появится узор – так называемые фигуры Хладни, по имени немецкого физика, изучавшего их в 1787 г. Примеры фигур Хладни приведены на рисунке. Первая слева фигура в точности соответствует колебаниям, возникающим в китайском тазу, но с точностью до наоборот. Там, где вода сильно колеблется и появляются фонтанчики, у фигур Хладни чистая поверхность, а места, где вода спокойна, соответствуют холмикам песка.

Электростатические летающие игрушки. Учитель физики из Казани Р.Насыров изобрёл интересную и познавательную игру – управление летающими объёмными моделями с помощью электростатического поля. А началось всё с того, что при объяснении ученикам взаимодействия электрических зарядов возникла мысль: а ведь на основе взаимного отталкивания двух одноимённо заряженных тел можно построить модель летающего аппарата! В результате многочисленных экспериментов, проб и ошибок наконец удалось сделать летающую бабочку из папиросной бумаги. Она летала несколько секунд на высоте 2–3 см над поверхностью наэлектризованной пластины из оргстекла. Вскоре высоту полёта удалось довести до 10 см, а время – до получаса! Дальнейшие опыты с полосками фольги и бумаги привели к летающим моделям самолёта, ракеты, космического корабля (с космонавтом на борту), НЛО, танцующим в воздухе фигуркам птиц и людей.

Для запуска игрушки и управления ею в полёте можно использовать трубку из лавсановой плёнки (листы разноцветной плёнки продаются в магазинах театральных принадлежностей, её используют в качестве светофильтров). Трубку электризуют, натирая сухой рукой, и кладут на неё модель. Приобретая одноимённый с трубкой заряд, модель отталкивается и взлетает в воздух. Перемещая трубку, управляют движением модели. Бумажный самолётик способен выполнять фигуры высшего пилотажа: «мёртвую петлю», «бочку», «кобру», неподвижно зависать, вертикально взлетать и садиться. Фигурка человечка может периодически резко подпрыгивать и плавно опускаться, не касаясь наэлектризованной трубки. Частота прыжков зависит от влажности воздуха и количества ионов в нём, от веса фигурки и её размеров. Наблюдалось до 149 таких прыжков! Неподдельный интерес вызывает летающая бабочка с размахом крыльев 15 см, несущая на спине сказочного героя. В полёте бабочка машет крыльями.

Очень эффектно выглядит полёт объёмных моделей. Их склеивают из узких полосок тонкого металлизированного лавсана в виде ажурных сфер или торов (бубликов). До запуска они выглядят как бесформенные комки серебристых ленточек, но по мере электризации раздуваются, приобретают заданную форму и взлетают. Сфера диаметром 1 м поднималась до потолка спортивного зала. А развернувшийся тор можно заставить вращаться вокруг центральной оси, наклоняться и двигаться под углом к горизонту.

Простейшая летающая модель – удлинённый треугольник из папиросной бумаги высотой около 5 см и с основанием 1 см. У основания делают небольшую прорезь и отгибают лепестки в разные стороны. Объёмная модель из полосок металлизированного лавсана расправляется в полёте. Равиль Насырович Насыров с летающей сферой – моделью земного шара диаметром 1 м

Опыты следует проводить в сухом помещении. Руки и лавсановая трубка также должны быть сухими – влага препятствует электризации. Для запуска трубку берут в правую руку, подбрасывают фигурку, резко проводят левой рукой вдоль всей трубки, натирая и электризуя её, и подносят трубку к падающей игрушке снизу. Фигурка притягивается к трубке, приобретает одноимённый заряд и отскакивает вверх, зависая на высоте 30–40 см. При запуске объёмных моделей трубку приходится натирать несколько раз, создавая заряд, достаточный для разворачивания комка лавсановых ленточек в сферу или тор.

Опыты братьев Даминовых с бутылками

Автоколебания. Механическое колебательное движение обычно изучают, рассматривая поведение какого-нибудь твердотельного маятника: пружинного, математического или физического. Однако, воспользовавшись идеей, заложенной в конструкцию водяных часов, можно создать устройство, демонстрирующее колебания жидких или газообразных тел. Две полуторалитровые бутылки соединяем так же, как и в водяных часах, скрепив крышки. Полости бутылок соединяем стеклянной трубкой длиной 15 см, внутренним диаметром 4–5 мм. Боковые стенки бутылок должны быть ровными и нежёсткими, легко сминаться при сдавливании. Наливаем в одну бутылку примерно на треть воду и располагаем её сверху. Вода начинает сразу же вытекать через трубку в нижнюю бутылку. Примерно через секунду струя самопроизвольно перестаёт течь, и через проход в трубке из нижней бутылки в верхнюю выходит порция воздуха. Период смены встречных потоков воды и воздуха через соединительную трубку определяется разницей давлений в верхней и нижней бутылках и регулируется автоматически.

О колебаниях давления в системе свидетельствует поведение боковых стенок верхней бутылки, которые в такт с выпуском воды и впуском воздуха периодически сдавливаются и расширяются. Поскольку процесс саморегулируется, эту аэрогидродинамическую систему можно назвать автоколебательной.

Тепловой фонтан. Основной деталью конструкции является жиклёр (например, от газовой зажигалки), установленный в бутылочной крышке. Жиклёр представляет собой винт, вдоль продольной оси которого имеется сквозное отверстие малого диаметра. Мягкую пластиковую трубку плотно надеваем одним концом на жиклёр, а её открытый конец опускаем почти до дна бутылки. Наливаем в бутылку примерно на треть прохладную воду. Крышку герметично закручиваем. Если теперь бутылку облить тёплой водой, заключённый в ней воздух быстро прогреется, его давление повысится, и вода вытолкнется наружу в виде фонтанчика на высоту до 80 см.

Опыт можно показывать для демонстрации, во-первых, зависимости давления газа от его температуры и, во-вторых, работы по поднятию воды, совершаемой расширяющимся воздухом.

Татьяна Васильевна Беляева – учитель физики высшей квалификационной категории. После окончания физмата Томского ГПИ в 1987 г. добровольно отправилась работать в село, о чём не жалеет. Педагогическое кредо – каждый ребёнок должен испытать ситуацию успеха, поэтому на всевозможные олимпиады и конференции школьников педагог готовит не только сильных, но и слабых, чтобы каждый почувствовал уверенность в своих силах, получил стимул для дальнейшего роста. Ученики успешно поступают и учатся в различных томских вузах физико-математического профиля. Татьяна Васильевна принимает активное участие в различных конкурсах и фестивалях для педагогов, уже пять лет руководит РМО учителей физики. В 2002 г. стала лауреатом районного конкурса «Учитель года», в 2004 г. – лауреатом районного конкурса «Сердце отдаю детям», в 2006 г. была награждена грамотой Минобрнауки, в 2007 г. стала лауреатом всероссийского конкурса «Лучшие учителя РФ», в 2008 г. была делегатом II съезда учителей Томской области. Очень любит шахматы и ведёт в своей школе шахматный кружок, а теперь и в начальной школе – учебный курс «Шахматы – школе». Школьная команда шахматистов не раз занимала в районных соревнованиях призовые места как в командном, так и в личном зачёте. Вместе с мужем вырастила троих сыновей. Хобби – выращивание комнатных цветов.