№ 4. Текст по разделу «Электродинамика»
Молния
Наблюдали ли вы молнию? Красивое и небезопасное явление природы! Уже в середине XIII в. ученые обратили внимание на внешнее сходство молнии и электрической искры. Высказывалось предположение, что молния — это электрическая искра. Когда же она возникает? Соберем установку: к двум шарикам, закрепленным на изолирующих штативах и находящимися на некотором расстоянии друг от друга, подключим батарею конденсаторов. Начнем заряжать конденсаторы от электрической машины.
По мере заряжения конденсатора увеличивается разность потенциалов между электродами, а следовательно, будет увеличиваться напряженность поля в газе. Пока напряженность поля невелика, между шариками нельзя заметить никаких изменений. Однако при достаточной напряженности поля (30 000 В/см) между электродами появляется электрическая искра, имеющая вид ярко светящегося извилистого канала, соединяющего оба электрода. Газ вблизи искры нагревается до высокой температуры и расширяется, отчего возникают звуковые волны, и мы слышим характерный треск.
Опыты с атмосферным электричеством, проводимые М.В.Ломоносовым и Франклином независимо друг от друга, доказали, что грозовые облака несут в себе большие электрические заряды и что молния — это гигантская искра, ничем (кроме размеров) не отличающаяся от искры между шариками.
Ответьте на вопросы:
- Зачем в описанном опыте применяли батарею конденсаторов?
- К какому виду разрядов можно отнести молнию?
- Когда между облаками проскакивает молния?
- Может ли возникнуть молния между облаками и Землей? Объясните.
№ 8. Текст по разделу «Электродинамика»
Огни святого Эльма
В природе наблюдается интересное явление. Иногда в тропическую ночь на мачтах и реях кораблей появляются кисточки холодного пламени. Эти огни известны очень давно. Их видели Колумб и Магеллан, о них писал даже Юлий Цезарь, который однажды даже видел такое свечение на копьях своих солдат во время ночного похода через горы. Не составляет большого труда самим получить такое свечение. Если хорошо натереть лист оргстекла сухой тканью и после этого к листу поднести полураскрытые ножницы остриями к листу, то в затемнённой комнате можно увидеть, как на остриях ножниц появляются дрожащие пучки нитей, светящиеся лиловатым пламенем. В тишине можно услышать лёгкое шипение или жужжание. Если вместо ножниц к листу оргстекла поднести спичку, то она не зажжётся, хотя огонь будет плясать прямо на головке спички. Возникшее свечение холодное. Такое же свечение часто появлялось на шпиле церкви святого Эльма в одном из городов Франции и считалось доброй приметой. Подобное свечение получило название огней святого Эльма.
Ответьте на вопросы:
- Какое физическое явление лежит в основе появления огней Св. Эльма?
- Почему оно не возникает на плоской металлической крыше?
- Опасно ли находиться вблизи этого свечения?
- На каком физическом приборе можно получить огни Св. Эльма?
№ 16. Текст по разделу «Молекулярная физика»
Пузыри
Вам наверняка приходилось наблюдать за пузырями, которые образуются на поверхности пенных растворов, при выдувании из трубочки специальных растворов. Какой они формы? Долго они живут или быстро исчезают? Большие они или маленькие?
Ведь вы наверняка наблюдали, как иголка или, например, скрепка или лезвие может держаться на поверхности воды. Надо сделать это – только очень осторожно: положить эти предметы строго горизонтально, стоит только опускать эти предметы наклонно, как они сразу идут ко дну. Значит, в первом случае что-то поддерживало их, но что?
Молекулы, расположенные не очень близко друг к другу, притягиваются. В твёрдых телах межмолекулярные силы притяжения настолько велики, что надо приложить очень большое усилие для расщепления молекул и разделения твёрдого предмета на части.
В жидкостях притяжение не настолько сильное, но оно существует и вполне ощутимо. Наблюдая капли росы, вы замечали их округлую форму? А капля воды, растекаясь по ровной поверхности, образует круг, а в центре приподнятый холмик. Несомненно, существует какое-то притяжение между молекулами воды, которое заставляет их собираться в единое целое. Силы притяжения сближают молекулы, находящиеся на внешней поверхности, как можно ближе к центру капли. В результате поверхность служит как бы плёнкой, стягивающей всю массу жидкости. Говорят, что жидкость обладает поверхностным натяжением.
Пузыри тоже образуются за счёт сил поверхностного натяжения. Добавление в воду моющих средств, например мыла, ослабляет силы притяжения. На поверхности такого раствора уже практически невозможно удержать лёгкие предметы.
Пусть сначала поверхностное натяжение велико, как в случае чистой водой. Наружный слой воды давит на воздух и сжимает его. Сжатый воздух пытается прорваться через плёнку и, в конце концов, прорывает её в каком-либо слабом месте – пузырь лопается.
Ответьте на вопросы:
- Каким образом некоторые насекомые, например stenus, удерживаются на воде и даже используют силы поверхностного натяжения для того, чтобы двигаться?
- Почему пузырь всегда имеет шарообразную форму?
- Зависит ли сила поверхностного натяжения от температуры?
- Как можно измерить силу поверхностного натяжения?
№ 17. Текст по разделу «Механика»
Резонанс
Вы наблюдали, что вращении велосипедного колеса, начиная с некоторой скорости вращения, невозможно различить спицы колеса. они стали как бы шире и сливаются воедино. представим себе, что между двумя брусочками закрепим четыре упругие гибкие пластины разной длины (пластинки можно нарубить из металлических линеек). на концах пластинок имеются, сделанные из легкой жести, белые флажки. пластины могут совершать упругие колебания. для своих наблюдений прибор укрепим на центробежной машине (рис.)
Начнем плавно вращать рукоятку центробежной машины, медленно и равномерно увеличивая ее скорость: При этом пластинки нашего прибора испытывают периодические толчки, частота которых равна числу оборотов машины. Наблюдаем, что при постепенном увеличении скорости вращения визуальная ширина закрепленных пластин поочередно увеличивается. Чем больше частота вращения, тем у более короткой пластинке наступает эффект увеличении полоски флажка и наоборот. Увеличение ширины полоски флажка можно объяснить тем, что у пластинок наблюдается максимальное отклонение от положения равновесия при определенной частоте вращения. Когда собственная частота пластинки, определяемая ее параметрами, совпадает с частотой вращения центробежной машины, наступает явление резонанса.
Ответьте на вопросы:
- За счет чего можно добиться гибкости пластин?
- Что называется резонансом?
- Почему в резонанс вступает короткая пластинка при большей частоте, а длинная — при меньшей?
- Приведите примеры полезного применения резонанса.
№ 20. Текст по разделу «Молекулярная физика»
Броуновское движение
В своей повседневной жизни мы часто сталкиваемся с явлением диффузии — проникновением молекул одного вещества среди молекул другого (засолка продуктов, окраска тканей и т.д.). Причем чем выше температура веществ, тем процесс диффузии происходит быстрее. В 1827 г. английский ученый Р. Броун впервые наблюдал это явление, рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна. Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Вот как описывает броуновское движение немецкий физик Р. Поль. «Немногие явления способны так увлечь наблюдателя, как броуновское движение. Здесь наблюдателю позволяется заглянуть за кулисы того, что совершается в природе. Перед нм открывается новый мир — безостановочной сутолока огромного числа частиц. Быстро пролетают в поле зрения микроскопа мельчайшие частицы, почти мгновенно меняют свое направление движения. Большие частицы практически толкутся на месте. Их выступы явно показывают вращение частиц вокруг своей оси, которая постоянно меняет свое направление в пространстве. Нигде нет и следа системы или порядка. Господство слепого случая — вот какое сильное, подавляющие впечатление производит эта картина на наблюдателя». Броуновским движением является дрожание стрелок чувствительных измерительных приборов, которое происходит из-за теплового движения атомов деталей приборов и окружающей среды. Молекулярно-кинетическая теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном в 1905 г.
Ответьте на вопросы:
- Какова причина броуновского движения?
- Как влияет температура вещества на броуновское движение?
- Наблюдается ли броуновское движение в твердых телах?
- Кто окончательно построил теорию движения и экспериментально ее подтвердил?
№21. Текст по теме « Квантовая физика и элементы астрофизики»
Какие они, звезды?
Важнейшим источником информации о большинстве небесных объектов является их излучение. Наиболее ценные и разнообразные сведения о телах позволяет получить спектральный анализ их излучения. Этим методом можно установить качественный и количественный химический состав светила, его температуру, наличие магнитного поля, скорость движения по лучу зрения и многое другое. Спектральный анализ основан на явлении дисперсии света. Известно, что свет распространяется в виде электромагнитных волн. Причем каждому цвету, входящему в спектр света, соответствует определенная длина электромагнитной волны. Длина волны света увеличивается от фиолетовых лучей до красных приблизительно от 0,4 до 0,7 мкм. За фиолетовыми лучами в спектре лежат ультрафиолетовые лучи, не видимые глазом, но действующие на фотопластинку. Еще меньшую длину волны имеют рентгеновские лучи. За красными лучами находится область инфракрасных лучей. Они невидимы, но воспринимаются приемниками инфракрасного излучения, например, специальными фотопластинками.
Для получения спектров применяют приборы, называемые спектроскопом и спектрографом. В спектроскоп спектры рассматривают, а спектрографом его фотографируют. Для спектрального анализа различных видов излучения в астрофизике используют и более сложные приборы. Достаточно протяженные плотные газовые массы звезд дают непрерывные сплошные спектры в виде радужных полосок. Каждый газ излучает свет строго определенных длин волн и дает характерный для данного химического элемента линейчатый спектр. Наблюдения показывают, что звезды порой меняют свой блеск. Изменения в состоянии газа дают изменения и в спектре данного газа. По уже составленным таблицам с перечнем линий для каждого газа и с указанием яркости линии определяют количественный и качественный состав небесных светил.
Ответьте на вопросы к тексту:
- Как определяется химический состав звезд?
- Как определяется качественный состав звезд?
- Можно ли считать качественный анализ по спектрам излучения точным?
Чем отличается спектроскоп от спектрографа?
№ 22. Текст по разделу «Механика»
Звуки
Задумайтесь о происхождении звуков — вот стукнула дверь, ударили кулаком по столу, проехала машина, стучат каблучки по полу. Звук всегда вызывается каким-либо механическим движением. Доски, стол, стены, большинство других предметов от толчков не приходят в видимое движение, если только они не очень сильны. Но они способны несколько прогибаться, и в результате возникает их легкое движение вперед-назад (вибрация). Хорошо иллюстрирует природу колебаний туго натянутая струна или резиновый шнур. Предложим, что мы оттянули середину струны гитары из нормального положения. Струна натягивается, и, когда мы ее отпустим, она вернется назад, но в момент возвращения в свое нормальное положение она будет двигаться. Продолжая движение, постепенно замедляясь, она остановится, но уже по другую сторону от своего первоначального положения. Теперь струна снова натянута и должна двигаться назад. Со временем, после многих таких колебаний струна вернется в состояние покоя.
Подобным способом происходят колебания твердых упругих предметов, если какой-то участок тела толкнуть и вывести из нормального состояния. Колебания одной части предмета оказывают влияние на остальные части. Колеблющиеся участки тянут и толкают соседние, а те тоже начинают колебаться. В свою очередь, они приводят в движение окружающие их участки и т.д. Таким образом, колебания, созданные в одной точке тела, передаются другим его точкам внутри сферы с центром в источнике колебаний. Так распространяется звуковая волна в твердом материале.
Ответьте на вопросы:
- Одинакова ли скорость распространения звука в различных твердых материалах?
- Только ли в твердых материалах распространяется звук?
- Можно ли на Земле услышать гул двигателя космического корабля, пролетающего в открытом космосе?
- Получите звуковые колебания на одном из физических приборов?
№ 23. Текст по разделу «Молекулярная физика»
О природе теплоты
Задумывались ли над тем, как тепло проникает через твердые тела? Почему испарение приводит к охлаждению?
Молекулы веществ находятся в непрерывном движении и все время взаимодействуют друг с другом. В жидкостях, газах они способны передвигаться на большие расстояния, причем в газах движение происходит более свободно, чем в жидкостях. В твердом теле молекулы только совершают колебания вблизи определенных мест. Чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура тела. При передаче тепла через твердый материал распространяется не вещество, вроде воды или воздуха, а изменяется интенсивность колебаний молекул. Наблюдали ли вы, что происходит, когда пища в кастрюле, поставленной на газовую плиту, разогревается? Движение молекул горящего газа намного быстрее, чем у предметов с нормальной температурой. Эти быстрые молекулы сталкиваются с молекулами металла у дна кастрюли. И те начинают двигаться гораздо быстрее. Затем, в свою очередь, начинают двигаться быстрее молекулы, расположенные в верхних слоях металла и так от молекулы к молекуле быстрое колебательное движение распространяется через металл и достигает содержимого кастрюли.
А почему происходит охлаждение, когда вода или другая жидкость испаряется? Жидкости отличаются от твердых тел тем, что молекулы в них могут вырываться из своего окружения и двигаться более или менее сами по себе. Межмолекулярных сил уже не хватает, чтобы удерживать молекулу в одном определенном положении, как это имеет место в твердых телах. Но силы притяжения в жидкости еще достаточно велики, чтобы удерживать молекулы все вместе в объеме жидкости, налитой в сосуд. Во время своих-перемещений по жидкости молекулы соударяются друг с другом. Может случиться так. что молекула, находящаяся недалеко от поверхности, получит при соударении настолько большую скорость, что сможет вылететь из жидкости в воздух. Происходит процесс испарения. В жидкости остаются более медленные молекулы, которым соответствует более низкая температура. В результате при испарении жидкость охлаждается.
Ответьте на вопросы:
- Что вы чувствуете, когда протираете кожу своей руки спиртом?
- При одной и той же температуре, когда нам кажется теплее — в сырую погоду или в сухую?
- Когда быстрее растает кусочек льда — закутанный в теплый шарф или положенный на тарелку?
- Каков принцип работы холодильника?
№ 24. Текст по разделу «Электродинамика»
Тлеющий разряд
Кто из нас не любовался огнями города? Красные, зеленые,.. огни в рекламных трубках. Как они создаются?Если из трубок откачать воздух до давления порядка десятых и сотых долей миллиметра ртутного столба и па впаянные в трубку электроды подать напряжение порядка нескольких сотен вольт, то в трубке возникает свечение. Возникшее свечение получило название тлеющего разряда.
При тлеющем разряде почти вся трубка, за исключением небольшого участка возле катода, заполнена однородным свечением, называемым положительным столбом. Когда мы соединяем электроды трубки с источником высокого напряжения, то свободные, положительные ионы устремляются к катоду. При определенном разряжении, когда длина свободного пробега значительна, скорость положительных ионов достигает такого значения, что с поверхности катода вырываются электроны, устремляющиеся к аноду. При своем движении электроны, сталкиваясь с нейтральными молекулами газа, возбуждают свечение газа и частично его ионизируют.
Если трубка наполнена неоном, возникает красное свечение, аргоном — сиренево-зеленое свечение. В лампах дневного света используют разряд в парах ртути. Тлеющий разряд получил применение в квантовых генераторах — газовых лазерах.
Ответьте на вопросы:
- Для чего понижается давление в газоразрядных трубках?
- 0т чего зависит цвет свечения?
- Почему при возникшем тлеющем разряде не вся трубка заполнена положительным столбом?
- Где применяют трубки с тлеющим разрядом?