Глава 1. Магнитное поле
1. Взаимодействие намагниченных игл
Цель: изучить возможные расположения свободно перемещаемых магнитов.
Восемь — десять одинаковых швейных игл сложите в стопку остриями в одну сторону. Оберните стопку скотчем и «замкните» ею полюса подковообразного магнита на несколько часов. В результате все иглы станут маленькими магнитами, причем северный полюс каждого магнита будет у тех концов, которые соприкасались с южным полюсом подковообразного магнита.
Выломайте наиболее крупные шарики из пенополистирола, используемого в качестве упаковки бытовой техники1). Наденьте один или несколько шариков на остриё каждой иглы: при этом иглы превратятся в поплавки, плавающие в вертикальном положении.
Осторожно налейте в цилиндрический стеклянный стакан2) воду так, чтобы уровень воды немного возвышался над краем стакана3), и осторожно опустите в него две иглы-поплавка.
Обратите внимание на то, какое положение вертикальные иглы займут в стакане. Сфотографируйте их сбоку и сверху.
Добавляйте в стакан по одной игле и каждый раз фотографируйте их расположение, когда иглы будут находиться в равновесии. Например, на рисунке 1 приведена фотография пяти игл.
Вы вскоре заметите, что иглы-поплавки стремятся расположиться симметрично. Это обусловлено тем, что при этом потенциальная энергия их магнитного взаимодействия минимальна (упорядоченное расположение атомов в кристаллической решётке также обусловлено тем, что при этом потенциальная энергия их взаимодействия минимальна).
Рис. 1
1) Если вы не найдёте кусков упаковки дома, их можно попросить в любом магазине бытовой техники.
2) Стакан не должен быть гранёным. Вместо стакана можно использовать бокал или фужер.
3) Небольшое превышение уровня воды над краем сосуда называют выпуклым мениском.
2. Самодельный компас и модель опыта Эрстеда
Цель: изготовить самодельный компас и повторить с его помощью опыт Эрстеда.
Намагнитьте тонкую швейную иглу. На её концы наденьте шарики пенополистирола и осторожно опустите иглу на поверхность воды в блюдце. Подождите, пока игла, представляя собой маленькую магнитную стрелку, расположится вдоль географического меридиана. Используя компас, определите, какой конец иглы является северным полюсом магнита, и сделайте на нём отметку сипим цветом, а на другом конце иглы сделайте отметку красным цветом.
Затем расположите над иглой параллельно ей прямолинейный проводник (рис. 2), соединённый через резистор сопротивлением 1-2 Ом с батарейкой напряжением 4,5 В.
Обратите внимание на то, в каком направлении повернулась игла после замыкания ключа и какое положение занял её северный полюс. Сделайте фотографию опыта, на которой будет видна полярность подключения прямолинейного проводника и положение полюсов иглы-магнита. Проверьте соответствие наблюдаемого явления правилу буравчика для прямолинейного проводника с током (§ 1).
Повторите опыт, изменив полярность подключения прямолинейного проводника. Какие изменения вы заметили?
Опишите ваши опыты.
Рис. 2
Глава 3. Колебания
1. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
Цель: изучить возможные формы траектории нитяного маятника, совершающего одновременно колебания в перпендикулярных направлениях с различными частотами.
Изготовьте установку, изображённую на рисунке 3. Опа является комбинацией двух маятников. Один из них имеет длину, равную расстоянию от горизонтального стержня до груза (в данном случае 64 см), а длина другого равна длине нити от узла нитей до груза (в данном случае 16 см).
Рис. 3
Постарайтесь, чтобы начальное отношение этих длин для изготовленного вами маятника было тоже 4:1.
Маятник большей длины может совершать колебания только в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка, а короткий — в любой плоскости, но в данном опыте мы будем рассматривать его колебания в плоскости рисунка.
Отклоните груз от положения равновесия в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка, на 6-8 см. Когда груз начнёт двигаться, лёгким ударом линейки сообщите ему небольшую скорость в плоскости рисунка (форма траектории груза будет зависеть от того, в какой момент ему сообщена эта скорость).
Понаблюдайте за движением груза. Сделайте видеозапись.
Чтобы траектория движения груза стала видимой, в качестве груза используйте воронку с сухим просеянным песком. Для фиксации песочного следа можно использовать, например, противень, смазанный растительным маслом.
Для регулировки длины нити короткой части маятника проденьте пить через кусок пустого стержня шариковой ручки. Длину нити короткого маятника можно изменять, фиксируя нить в стержне спичкой, плотно вставленной в трубку.
Используя маятник с воронкой, исследуйте, как влияет на форму траектории груза:
— соотношение между амплитудами колебаний длинного и короткого маятников, происходящих в разных плоскостях,
— соотношение частот этих колебаний,
— разность начальных фаз этих колебаний.
Сфотографируйте наиболее красивые из наблюдаемых вами траекторий маятника. Примеры некоторых траекторий приведены на рисунке 4.
Рис. 4
Глава 5. Геометрическая оптика
1. Световод
Цель: изучить работу световода на простой модели.
Для проведения опытов потребуются лазерная указка красного цвета и виниловая трубка длиной 25-30 см от капельницы (или системы для переливания крови).
Один торец трубки плотно прижмите к торцу лазерной указки. Изогните трубку так, чтобы вам хорошо был виден другой торец трубки.
Опишите свои наблюдения. Сделайте фотографию. Объясните наблюдаемое явление, используя законы геометрической оптики.
Найдите в Интернете информацию об использовании световодов и кратко опишите её.
2. Линза, создаваемая природой
Цель: исследовать свойства капли воды как собирающей линзы.
Предлагаемый опыт покажет, что капля воды может играть роль собирающей линзы с довольно большой оптической силой.
Первый опыт. Недалеко от вертикального экрана (его роль может играть светлая степа или белый форзац стоящей вертикально книги) установите вертикально на столе новый карандаш (можно укрепить его пластилином или сделать для пего подставку). Маленький кусочек воскового пластилина (или воска) расплющите на верхнем торце карандаша. Пипеткой поместите на этот торец каплю воды радиусом не более 2 мм.
Перемещая горящую лампочку для карманного фонарика, получите на экране как можно более чёткое изображение нити накала лампы. Сделайте фотографию вашего опыта. Измерив расстояние от лампы до капли и от капли до экрана, оцените фокусное расстояние линзы-капли1).
Объясните, почему причиной пожара в лесу может стать капелька росы на сухой траве или хвое.
Второй опыт. Поместите на горизонтально расположенный экран включённого планшета или смартфона маленькую капельку воды2). С помощью лупы рассмотрите структуру изображения (рис. 5). Опишите свои наблюдения. По возможности сделайте фотографию.
Рис. 5
1) Для приближённой оценки можно воспользоваться формулой тонкой линзы.
2) Смажьте слегка место под каплей растительным маслом (это не нанесёт вреда экрану).
Этот опыт можно продолжить: нанесите маленькую капельку воды на поверхность, не впитывающую воду, и рассмотрите структуру поверхности сквозь каплю с помощью лупы. «Усиление» лупы капелькой воды позволит вам рассмотреть более мелкие детали.
Глава 6. Волновая оптика
1. Наблюдение интерференции в тонких плёнках
Цель: наблюдение явления интерференции в мыльных плёнках.
Используя полиэтиленовую бутылку с пробкой, стержень от гелиевой ручки и трубку от системы для переливания крови, изготовьте прибор, изображённый на рисунке 6. Устройство верхней части прибора показано на рисунке 7.
Рис. 6
Рис. 7
На дно бутылки налейте немного мыльного раствора. Не закручивая пробку, наклоните бутылку и добейтесь того, чтобы мыльный раствор попал на нижний конец трубки. Выдуйте мыльный пузырь (при этом пробка по должна быть плотно закрыта!). Сразу после выдувания пузыря завинтите пробку до упора.
Объясните, почему мыльный пузырь (рис. 8) может сохраняться в бутылке длительное время (часами). При объяснении учтите, что на дне бутылки остаётся небольшое количество мыльного раствора.
Рассмотрите внимательно интерференционную картину, обусловленную интерференцией лучей, отражённых двумя сторонами топкой мыльной плёнки. Сделайте фотографию вашего опыта.
Объясните, почему верхняя часть пузыря через некоторое время становится совершенно невидимой1). Оцепите толщину невидимой части мыльной плёнки (подсказка: при этом разность хода волн для лучей, отражённых двумя сторонами плёнки, меньше длин волн видимого света).
1) Такие плёнки называют не совсем точно «чёрными».
Рис. 8
2. Измерение длины световой волны
Цель: измерение длины волны света с помощью капроновой ткани.
Капроновую ткань можно использовать как дифракционную решётку, и с её помощью приближённо измерить длину волны света. Вырежьте из капроновой ткани полоску шириной 10 мм и длиной не меньше 10 см вдоль одного направления питой. Распушите один из концов полоски, чтобы посчитать, сколько ниток приходится на 1 см (для этого, возможно, понадобится лупа).
Таким же образом определите число нитей на 1 см для перпендикулярного направления нитей.
Запишите результаты измерений и с их помощью определите периоды дифракционной решётки, роль которой в данном опыте играет капроновая ткань.
Направьте луч лазерной указки сквозь ткань на экран (например, закреплённый вертикально лист белой бумаги), расположив ткань вплотную к указке. Подберите расстояние до экрана так, чтобы на нём умещались несколько интерференционных максимумов в каждом из двух перпендикулярных направлений. Опыт лучше проводить в тёмное время суток.
Объясните характер наблюдаемой интерференционной картины. Чем она отличается от интерференционной картины, полученной с помощью дифракционной решётки? Чем обусловлено это отличие?
Отметьте карандашом на экране положения центрального и боковых максимумов для обоих взаимно перпендикулярных направлений. Сфотографируйте лист с вашими отметками.
Произведите измерения, необходимые для нахождения длины волны света, испускаемого лазерной указкой, и найдите эту длину волны. Сравните полученное вами значение со значением длины волны для цвета луча лазерной указки, воспользовавшись данными из учебника или из Интернета. Запишите результат этого сравнения.
3. «Поляризационный» калейдоскоп
Цель: изучить проявление поляризации света.
Создайте на экране монитора компьютера или ноутбука белый фон (например, откройте на весь экран новый файл в любой программе).
Используя поляроид1), убедитесь в том, что экран испускает поляризованный свет.
Под монитором поставьте блюдце с водой. Если вы используете ноутбук, надёжно накройте его клавиатуру новым полиэтиленовым пакетом, а поверх него положите лист плотного картона или топкую дощечку — например, для нарезки хлеба или для работы с пластилином. Это необходимо для того, чтобы блюдце стояло устойчиво.
Вырежьте полоску скотча шириной 5 см и длиной 15 см. Положите её на лист бумаги липкой поверхностью вверх и приклейте её к листу двумя другими полосками скотча, оставив в центре однослойный квадрат со стороной 5 см, липкой поверхностью вверх. На этот квадрат наложите в произвольном порядке узкие полоски скотча липкой поверхностью вниз. На рисунке 9 показаны всего четыре такие полоски, чтобы не загромождать его.
Рис. 9
1) Можно попросить поляроид на время выполнения проекта в кабинете физики. Можно также использовать поляроидные очки (например, для водителей).
Для получения красивой мозаичной картины полосок должно быть намного больше, по число перекрывающихся слоёв не должно превышать двух десятков.
Вырежьте квадрат, отрезав всё лишнее (лишнее залито на рисунке цветом). В результате вы получите прозрачную квадратную пластину со стороной 5 см, обе поверхности которой не липкие.
Поместите эту пластину между монитором и блюдцем, подобрав такое положение пластины и головы, чтобы вы увидели в блюдце отражение света, испущенного монитором и прошедшего через пластину. На рисунке 10 показан пример того, что вы увидите, если угол отражения от поверхности воды составляет 50-55°. Сфотографируйте видимое вами изображение.
Рис. 10
Наблюдаемая мозаичная картина обусловлена тем, что монитор испускает поляризованный свет, плоскость поляризации которого поворачивается при прохождении через полоску скотча, причём угол поворота зависит от толщины слоя скотча и длины световой волны.
Кроме того, при отражении света от воды под углом, близким к 53°, свет также поляризуется. В результате возникает наблюдаемая мозаичная картина. Квадрат с наклеенными полосками медленно вращайте вокруг оси, перпендикулярной ей. Опишите наблюдаемое явление.
Работа цветных мониторов основана на тех же явлениях, что и изготовленный вами «поляризационный калейдоскоп».
4. Изменение цвета светового луча вследствие поглощения света
Цель: изучить изменение окраски светового луча при увеличении толщины поглощающего слоя.
Возьмите отрезки виниловой трубки (от капельницы или системы для переливания крови) длиной 4, 8, 12, 16 и 20 сантиметров.
С каждым отрезком трубки проделайте следующий опыт. Один конец трубки приставьте вплотную к включенному маленькому светодиоду1), испускающему белый свет. Изогните трубку на 90°и посмотрите на её другой торец. Один из примеров наблюдаемой картины показан на рисунке 11.
Рис. 11
Проведите опыты с отрезками трубки разной длины. Сделайте соответствующие фотографии.
Определите, исходя из результатов опытов: для лучей какой части спектра белого света поглощение в среде наименьшее?
Исходя из этого попробуйте объяснить: почему в качестве цвета аварийного и запрещающего сигналов выбран именно красный цвет?
Глава 8. Кванты и атомы
1. Как увидеть невидимое?
Цель: познакомиться с некоторыми особенностями инфракрасного излучения.
Всем знакомы дистанционные пульты управления (например, телевизором или кондиционером). Управление при этом осуществляется с помощью инфракрасного излучения, не видимого глазом.
Однако с помощью цифрового фотоаппарата или видеокамеры (они вмонтированы в большинство мобильных телефонов и смартфонов) инфракрасное излучение можно «увидеть».
Направьте объектив такого фотоаппарата или видеокамеры на излучающий элемент («глазок») пульта управления и нажмите любую кнопку пульта. Наблюдайте глазок пульта через фотоаппарат или видеокамеру. Опишите, что вы наблюдали. Сделайте соответствующую фотографию.
1) Такие светодиоды часто есть на лазерных указках.
Наблюдаемое вами явление обусловлено тем, что цифровой фотоаппарат преобразует инфракрасное излучение в видимый свет. Таким же свойством обладают приборы ночного видения, используемые охотниками, туристами и военными.
Рекомендации по оформлению проектно-исследовательской работы
• Титульный лист: название образовательной организации, тема, автор работы, класс, учитель (научный руководитель), населённый пункт, год.
• Содержание.
• Введение (одна-две страницы):
— обоснование актуальности выбранной темы (значимость выбранной темы для автора);
— цель работы;
— задачи, которые надо решить для достижения поставленной цели (можно, например, использовать слова: обосновать, изучить, проанализировать, исследовать, обобщить и др.);
— предмет и объект исследования.
• I часть: теоретические основы, позволяющие решить поставленные задачи.
• II часть:
— методика проведения исследования или выполнения проекта (приборы и материалы, ход исследования);
— полученные результаты (в текстовой, табличной, графической форме, фото, видео и т. д.). При необходимости даётся оценка погрешностей.
• Заключение: основные выводы (можно использовать слова: в результате исследования, результатом проекта являются, полученные результаты позволяют, модель может быть использована, результаты могут быть внедрены и т. д.), возможность развития работы и практического использования её результатов.
• Список используемой литературы, включая ссылки на интернет-ресурсы.
• Приложения: модели, фотографии или видеозаписи установок и т. д.