Глава 1. Магнитное поле
1. Взаимодействие намагниченных игл
Цель: изучить равновесие взаимодействующих магнитов.
Восемь — десять одинаковых швейных игл сложите в стопку остриями в одну сторону. Оберните стопку скотчем и «замкните» ею полюсы подковообразного магнита на несколько часов. В результате все иглы станут маленькими магнитами, причём северный полюс каждого магнита будет у тех концов, которые соприкасались с южным полюсом подковообразного магнита.
Выломайте несколько шариков из пенополистирола, используемого в качестве упаковки бытовой техники1). Наденьте по одному шарику на остриё каждой иглы: тогда иглы будут плавать в воде, находясь в вертикальном положении.
Осторожно налейте в круглый 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 (вид сверху).
Рис. 1
1) Диаметр шариков — несколько миллиметров. Если вы не найдёте кусков такой 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.
Вы вскоре заметите, что иглы-поплавки стремятся расположиться симметрично. Это обусловлено тем, что при таком расположении потенциальная энергия их магнитного взаимодействия минимальна (упорядоченное расположение атомов в кристаллической решётке также обусловлено тем, что при этом потенциальная энергия их взаимодействия минимальна).
2. Самодельный компас и модель опыта Эрстеда
Цель: изготовить самодельный компас и повторить с его помощью опыт Эрстеда.
Намагнитьте топкую швейную иглу. На её концы наденьте шарики пенополистирола и осторожно опустите иглу на поверхность воды в блюдце. Подождите, пока игла, представляющая собой маленькую магнитную стрелку, расположится вдоль географического меридиана. Используя компас, определите, какой конец намагниченной иглы является её северным полюсом, и сделайте на соответствующем шарике пометку сипим цветом, а на другом шарике — красным цветом.
Затем расположите над иглой параллельно ей прямолинейный проводник (рис. 2), соединённый через ключ и резистор сопротивлением 1—2 Ом с ключом и батарейкой напряжением 4,5 В.
Рис. 2
Замыкая ключ, обращайте внимание, в каком направлении поворачивается игла и какое положение занимает её северный полюс. Сделайте фотографию опыта, на которой видна полярность подключения прямолинейного проводника к полюсам батарейки 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.
Глава 3. Колебания и волны
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. Она является комбинацией двух маятников. Первый имеет длину, равную расстоянию от горизонтального стержня до груза, а длина второго равна длине нити от связывающего нити узла до груза. Постарайтесь, чтобы отношение указанных длин было 4:1.
Рис. 3
Первый маятник может совершать колебания только в одной плоскости (перпендикулярной плоскости рисунка на рис. 3), а второй — 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 дальнейшего движения груза зависит от того, в какой момент ему сообщена эта скорость и насколько она велика).
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 пить в стержне плотно вставленной спичкой.
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
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.