Творческие задания по физике
в 6—7 классах

PDF

      От автора
      Предлагаемое пособие включает в себя творческие задания по основным темам программы по физике VI—VII классов восьмилетней школы. Опыт работы многих передовых учителей физики убедительно показал, что успешное развитие творческих способностей учащихся невозможно без систематического применения в учебной работе творческих заданий.
      В течение нескольких лет автор занимался подбором такого типа заданий, в которых представлены «исследовательские» задания, требующие принципиального творческого решения, задания с проектированием простейших установок и приборов для проведения физических опытов и др. К каждому заданию дан ответ или, когда решений может быть несколько, одно из возможных решений. Большинство из них впоследствии многократно использовалось в школе № 11 г. Кургана заслуженным учителем школы РСФСР Е. Ф. Самыгиной. Опыт показал педагогическую целесообразность применения такого типа заданий.
      Пользуясь случаем, выражаю глубокую благодарность товарищам, оказавшим помощь в работе над книгой: кандидату педагогических наук доценту В. Г. Разумовскому, кандидату физико-математических наук доценту А. М. Зуеву, заслуженным учителям школы РСФСР М. Я. Куприну и Е. Ф. Самыгиной. ,
      Автор будет благодарен за все замечания, направленные на улучшение книги, которые просит присылать в адрес редакции физики издательства «Просвещение».
     
      Введение
      В методической литературе школьные задачи по физике принято классифицировать по следующим признакам: по содержанию, способу решения, степени трудности, целевому назначению. По содержанию задачи подразделяются на технические, исторические, занимательные и др. По способу решения — на качественные, количественные, экспериментальные, графические1.
      Однако ни один из названных способов классификации физических задач не отражает одной важной стороны, а именно характера деятельности ученика, решающего задачу. По характеру деятельности ученика все задачи можно разделить на творческие и тренировочные.
      Что следует понимать под творческой задачей? «Это задача, в которой сформулировано определенное требование, выполнимое на основе знания физических законов, но в которой отсутствуют какие-либо прямые или косвенные указания на те физические явления, законами которых следует воспользоваться для решения этой задачи. В творческой задаче прежде всего необходимо найти принцип решения, в задаче же тренировочного характера принцип решения по существу уже содержится в ее условиях»2.
      1 Методика преподавания физики в восьмилетней школе, под ред. В. П. Орехова и А. В. Усовой. М., «Просвещение», 1966, стр. 155— 160.
      2 В. Разумовский. Творческие задачи по физике в средней школе. М., «Просвещение», 1966.
      В большинстве случаев творческие задачи связаны с выполнением эксперимента или конструированием, поэтому их естественнее называть заданиями.
      Творческие задачи всегда сложнее в том отношении, что они требуют от ученика большей самостоятельности мышления, но не меньшее значение имеет и то, что в школе учащиеся недостаточно практикуются в решении такого типа задач.
      По содержанию творческие задания могут быть подразделены на следующие виды.
      Экспериментально-исследовательские, которые являются основным видом творческих заданий, используемых на у р оке, и широко применяются как при изучении нового, так и при закреплении пройденного материала. На уроке такие задания осуществляют либо в форме исследовательских лабораторных работ, либо в форме фронтального исследовательского эксперимента (10—20 мин).
      Многие исследования, которые в классе по разным причинам осуществить нельзя, могут быть предложены учащимся в качестве домашнего задания. Например, исследования, требующие проведения длительных наблюдений или предусматривающие самостоятельное изготовление и усовершенствование установок, приборов и т. п.
      Домашние творческие задания задают учащимся на срок от трех до шести дней, а иногда и больше. Не следует предлагать задания, для выполнения которых у учащихся может не оказаться нужных материалов или приборов.
      Конструкторские задания. Такой.вид заданий можно разделить на два типа.
      Задания, в которых требуется найти лишь принципиальное теоретическое решение (без изготовления конструкции).
      П р и м е р. «Передвижной подъемный кран установлен на четырехколесной тележке. Укажите, от каких причин зависит устойчивость, крана, и внесите предложения, как обеспечить его устойчивость».
      Задания, предусматривающие изготовление конструкций.
      Приведем примеры такого типа заданий.
      «Изготовить динамометр, в котором вместо спиральной пружинки использовалась бы упругая пластинка. Определить предел его измерений» (VI класс).
      «Сконструировать и изготовить прибор, который, подобно электроскопу, позволял бы обнаруживать электризацию тел» (VII класс).
      Наряду с исследовательскими и конструкторскими заданиями можно выделить группу творческих задач практического содержания, в которых требуется отыскать физический способ решения задач.
      Например, для учащихся сельской школы, непосредственно участвующих в летний период в сельскохозяйственных работах, полезными будут задания, связанные с сельскохозяйственным производством.
      «Познакомьтесь с устройством овощехранилища для хранения картофеля в вашем колхозе (совхозе). Узнайте, хорошо ли сохраняется в нем картофель зимой. Какие бы вы предложили меры, если картофель зимой гниет? Если он подмерзает? Обоснуйте предлагаемые вами меры с точки зрения физики».
      Ценность подобных заданий в том, что они учат школьников присматриваться к окружающему с позиций исследователя, рационализатора, творчески применять теоретические знания.
      Задания на проектирование физических опытов. На уроке, выдвинув проблему, учитель может предложить учащимся спроектировать опыты, необходимые для исследования этой проблемы.
      Например, поставив вопрос «Нельзя ли получить выигрыш в работе, пользуясь подвижным блоком?», предложить ученикам подумать над идеей опыта, с помощью которого это можно было бы установить.
      Успех выполнения творческого задания, его обучающее и развивающее значение во многом зависят от того, насколько широким будет поиск, насколько разнообразными и содержательными окажутся решения. Но для того, чтобы идеи учащихся отличались разнообразием, чтобы ими был затронут больший объем физического материала, во многих случаях необходима вводная беседа, в ходе которой намечают некоторые принципиально возможные пути поиска, обращают внимание учащихся на принципиальную возможность использования различных физических идей, законов, явлений. ..Подготовка учащихся к выполнению творческих заданий, осуществляемая в ходе вводной беседы, особенно необходима на первых порах применения таких заданий, пока учащиеся еще не освоились с методами и особенностями творческой работы. Размеры и характер этой помощи зависят от сложности задания и развития учащихся.
      В восьмилетней школе значительное место должны занять также задания, которые можно рассматривать как промежуточное звено между тренировочными и творческими. Их выполнение требует от; учащихся проявления большей самостоятельности и инициативы, но нахождение 4 общей идеи решения у этих заданий представляет не творческую, а логическую задачу.
      Пример. «Предскажите, как изменится мощность тока на проводнике, если последовательно с ним включить другой такой же проводник, но вдвое большей длины. Других сопротивлений в цепи нет; Ответ обоснуйте, а затем проверьте на опыте».
      В полном смысле слова такое задание творческим назвать нельзя, поскольку поиск общей идеи его выполнения не требует оригинального подхода. Тем не менее такого типа задачи непосредственно подготавливают учащихся к выполнению творческих исследовательских работ и могут рассматриваться как первая подготовительная ступень в системе творческих работ учащихся.
      Работая над творческими заданиями, учащиеся могут пользоваться индивидуальными консультациями учителя, о чем они должны быть извещены. Специального времени для консультаций, как правило, не требуется, учитель может оказать помощь «на ходу»: перед началом или после уроков, на перемене. Но помощь не должна носить характера подсказки, полностью устраняющей творческую работу. Иногда ученик избирает неправильный или неудачный путь решения. В этом случае нужно объяснить ему, в чем ошибка или почему решение является неудачным, и предложить поработать дополнительно.
      Завершающая часть работы над творческим заданием — коллективное обсуждение итогов его выполнения или анализ результатов. Для этого отбирают самые оригинальные, Интересные работы (три-четыре), в которых использованы принципиально различные идеи решения или различная методика выполнения. Обсуждают также работы,, содержащие поучительные ошибки. В результате обсуждения выявляют лучшее из решений.
      Для того чтобы активность учащихся была более высокой, целесообразно, чтобы с отобранными для обсуждения решениями учащихся знакомили сами авторы решений. О предстоящем выступлении им сообщают заранее (примерно указывают время, отводимое для выступления).
      В некоторых случаях назначают «оппонентов» из числа учащихся, каждому из которых дают для критического анализа (также заранее) одну из отобранных работ.
      Различные виды творческих заданий в своей совокупности позволяют широко варьировать содержание творческих заданий и степень их сложности. Это дает возможность учитывать разнообразные интересы учащихся и уровень их подготовки.
      В н и м а н и е! Задания, в которых предлагается использовать керосин, следует проводить только под наблюдением учителя.
     
     
      МЕХАНИКА
     
      Простые измерения
     
      Изучение темы «Простые измерения» новой программой не предусматривается. Однако, учитывая, что с такими измерениями при изучении физики в 6 классе учащимся часто придется иметь дело, целесообразно решить несколько задач, которые познакомили бы учащихся с первоначальными представлениями о точности выполнения измерений, различными способами измерений, а также с типичными ошибками, допускаемыми при их выполнении.
     
      1. При измерении длины с помощью ученической линейки может быть допущена ошибка за счет неправильного расположения глаза. На рисунке 1 показано правильное (справа) и неправильное расположение глаза при измерении. Объясните, чем вызывается эта ошибка.
      На практике при выполнении большого количества измерений каждый раз располагать глаз так, как показано
      на рисунке 1, а, неудобно. Как бы усовершенствовали вы конструкцию линейки, чтобы эта ошибка стала минималь-, ной при любом расположении глаза?
      Ответ. Край линейки,, на котором нанесена. шкала, сделать скошенным.
     
      2. Как определить с земли (приблизительно) высоту дерева, телеграфного столба или любого другого предмета, имея в своем распоряжении только небольшую линейку, длиной 20—30 см} Предложите способ.
      Возможное решение. Сделать на дереве мелом отметку на высоте 1 м от поверхности земли. Отойти на некоторое расстояние от дерева и расположить линейку в вытянутой вперед руке так, чтобы ее шкала перекрывала все дерево. Высота дерева в метрах будет приблизительно равна отношению числа делений шкалы, приходящихся йа все, дерево, к числу делений, приходящихся на 1 м (рис. 2).
     
      3. Для определения площади фигур сложной формы иногда используют такой метод: измеряемую фигуру накладывают на клетчатую бумагу и обводят ее контур. Затем считают число полных квадратиков, попавших внутрь контура, и прибавляют половину числа неполных квадратиков, через которые прошла линия контура фигуры (рис. 3). Полученное число умножают на площадь одного квадратика и таким образом получают площадь фигуры.
      1) Ответьте на вопросы: а) от чего зависит точность такого метода измерения? б) как ее повысить? в) как воспользоваться этим методом, если предмет слишком велик, чтобы его можно было изобразить на бумаге в натуральную величину?
      2) Придумайте какой-либо другой способ определения площади фигур сложного профиля.
      О т в е т. 1) а) Точность измерения зависит от величины квадратиков, изображенных на бумаге, б) Повысить точность измерения можно уменьшением площади квадратиков, в) Нарисовать на бумаге изображение предмета с уменьшением его в определенное число раз. При этом надо иметь в виду, что если линейные размеры предмета уменьшились, например, в 2 раза, то площадь его уменьшится в 4 раза (это легко понять, рассматривая, как изменяется площадь квадрата при уменьшении его сторон в 2 раза).
      2) Возможное решение. Площади фигур, вырезанных из картона или бумаги, пропорциональны весу этих фигур (если листы картона или бумаги однородны). Поэтому площадь любой фигуры, вырезанной из картона (в дм2), равна отношению ее веса к весу 1 дм2 картона. Следовательно, для того чтобы определить площадь какой-либо фигуры, можно вырезать ее из картона, взвесить, определить вес 1 дм2 картона и найти отношение.
     
      4. Узкий, но глубокий колодец.имеет форму, показанную на рисунке 4 в разрезе. В горизонтальном сечении широкая и узкая части колодца представляют собой квадраты. Придумайте способ, как определить объем колодца, не опускаясь в него.
      Возможное решение. Глубина широкой и узкой частей колодца может быть определена при помощи нити с привязанным к ее концу грузиком. Сторона верхнего квадрата измер яется непосредственно, а нижнего — при помощи какой-либо доски или рейки и отвеса: на доске, положенной сверху поперек колодца, при помощи отвеса отмечаются две точки, расстояние между которыми равно ширине узкой части колодца. Сняв эти размеры, нетрудно определить объем колодца.
     
      5. Трехлитровая стеклянная банка заполнена дробью. Придумайте способ определения объема куска свинца, пошедшего на изготовление дроби.
      Возможное решен и е. В банку, наполненную дробью, налить воды так, чтобы уровень поверхности ее соответствовал трехлитровой отметке. Затем определить объем этой воды при помощи мензурки. Объем свишй равен разности между объемом банки и объемом, воды.
     
      6. Придумайте способ определения объемов легко растворяющихся в воде тел.
      Возможное решение. Можно использовать мензурку и любое сыпучее тело, например речной песок. Объем песка определяют с помощью мензурки. Затем.песок пересыпают в какой-либо другой сосуд, а в мензурку опускают измеряемое тело (например, кусок соли). Снова высыпают песок в мензурку. Разность объемов песка в первом и ихором измерениях равна объему тела.
     
      7. Вам необходимо проградуировать сосуд, но никакой мерной посуды (например, мензурки) в вашем распоряжении нет. Как бы вы вышли из положения?
      Возможное решение, Используя линейку, изготовить прямоугольный брусочек (из пластилина, воска и т. п.) определенного объема, например 50 см3. Налив в сосуд воды, отметить ее уровень. В воду погрузить брусочек (полностью) и вновь отметить уровень воды. Объем между отметками будет равен объему брусочка. Дальнейшее несложно.
     
      Первоначальные сведения о строении вещества
     
      8. Исследуйте, зависит ли скорости диффузии от рода соприкасающихся жидкостей.
      Ответ. Наблюдения показывают, что скорость диффузии зависит от рода соприкасающихся жидкостей. Чтобы в этом убедиться, нужно взять две или три пары жидкостей (например, воду и керосин, раствор медного купороса и воду и др.), разделенных между собой следующим образом.
      В стеклянный сосуд налить до половины воды. Взять воронку с длинным горлышком и опустить ее в сосуд так, чтобы конец горлышка доходил до дна. Затем осторожно приливать в сосуд другую жидкость. Жидкости в сосуде разделятся на два слоя с резко выраженной границей между ними: более тяжелый раствор будет внизу, а сверху — более легкий.
     
      9. Придумайте простой опыт, при помощи которого можно показать, что между молекулами твердых тел имеются промежутки.
      Во зможное решение. Если ударить по куску свинца заостренным стальным предметом, то можно оставить заметную вмятину. При этом общие размеры свинца нс изменятся. Из этого можно сделать вывод, что молекулы свинца около вмятины уплотняются, т. е. уменьшаются межмолекулярные промежутки.
      То же самое происходит и при вбивании гвоздя в доску.
     
      10. Известно, что между молекулами в твердых телах существуют силы взаимного притяжения. Попробуйте установить на опыте, одинаковы или различны эти силы у двух разных веществ, например у меди и стали.
      Возможное решение. Куски медной и стальной проволок равной толщины подвешивают за концы в вертикальном положении и постепенно нагружают. Опыт показывает, что медная проволока обрывается под действием груза значительно быстрее, чем стальная. Следовательно, молекулы стали взаимодействуют сильнее.
     
      11. Если поверхности какой-либо жидкости коснуться стеклянной пластинкой, то она прилипает к жидкости. Чтобы оторвать ее от жидкости, нужно приложить некоторую силу. После этого на нижней поверхности пластинки остается тонкий слой жидкости. Это явление можно объяснить,тем, что при отрыве пластинки приходится преодолевать силы взаимодействия между молекулами жидкости (отрывается не пластинка от жидкости, а прилипший слой воды). Используя этот опыт, установите, одинакова ли сила молекулярного взаимодействия у различных жидкостей.
      Возможное решение. Пластинку подвесить На пружине (или резинке), как показано на рисунке 5. Касаясь пластинкой поверхностей различных жидкостей и отмечая растяжение пружины при отрыве ее от жидкости, нетрудно установить, что силы молекулярного взаимодействия у разных жидкостей различны.
     
      Механическое движение. Скорость
     
      12. Определите среднюю скорость течения воды в реке на каком-либо участке. Укажите, от чего зависит точность результатов при выполнении этой работы. Опишите ход ее выполнения и приведите сделанные вами расчеты.
      Возможное решение. Два ученика заходят в воду и располагаются на некотором расстоянии друг от друга: один выше по течению, другой ниже. Ученик, находящийся выше по течению, должен иметь при себе секундомер и какой-нибудь легкий предмет (например, теннисный шарик). В определенный момент времени он пускает шарик в воду и одновременно засекает время. Как только шарик достигает другого ученика, тот подает сигнал рукой, и первый ученик останавливает секундомер. Средняя скорость воды в реке на данном участке находится как отношение длины участка ко времени движения шарика. Точность результатов опыта зависит от точности измерения длины участка и засечки моментов начала и конца движения шарика на этом участке. Она будет зависеть также и от длины выбранного участка. При прочих равных условиях точность в определении скорости будет тем выше, чем длиннее участок (в этом случае относительные погрешности в измерении длины участка и времени движения шарика будут меньше). Результат находится как среднее арифметическое из нескольких опытов.
      Примечание. При проведении этого эксперимента необходимо обеспечить меры безопасности учащихся. Дно реки, где будет проводиться эксперимент, должно быть предварительно тщательно исследовано. На берегу должен находиться кто-либо из старших, умеющих хорошо плавать.
     
      13. Определите на опыте среднюю скорость шарика, скатывающегося с наклонной плоскости. Укажите, зависит ли она от угла наклона плоскости. От чего зависит точность получаемого вами результата? Как это проверить на опыте?
      Решение. Средняя скорость шарика равна отношению пути, проходимого шариком по наклонной плоскости, ко времени его движения. Точность результата зависит от точности измерения длины наклонной плоскости (линейкой) и времени движения шарика (секундомером), При, прочих равных условиях точность результата тем выше, чем меньше угол наклона плоскости (а, следовательно, скорость шарика) и чем больше длина пути, проходимого шариком по наклонной плоскбсти. Она зависит и от количества проделанных опытов. Зависимость точности результатов в определении средней скорости шарика от угла наклона плоскости нетрудно проверить на опыте, проделав несколько вычислений средней скорости при различных углах наклона плоскости.
     
      14. Как определить опытным путем конечную скорость, приобретаемую шариком, скатывающимся с наклонной плоскости?
      Предложите способ.
      Решение. Если шарик скатывается с наклонной плоскости на гладкую горизонтальную плоскость, то движение его становится равномерным. Скорость этого равномерного движения равна скорости, которую имел шарик в нижней точке наклонной плоскости. Для определения скорости достаточно измерить какой-либо отрезок пути, проходимый шариком по горизонтальной плоскости, и время прохождения этого отрезка.
     
      15. Исследуйте: а) Как зависит конечная скорость шарика, скатывающегося с наклонной плоскости (см. предыдущую задачу), от ее длины, если угол наклонной плоскости остается неизменным? б) Зависит ли скорость шарика от длины наклонной плоскости, если неизменной остается высота, с которой скатывается шарик (рис. 6)?
      Ответ:
      а) С увеличением длины наклонной плоскости в 4 раза скорость движения шарика возрастает в 2 раза, при увеличении длины в 9 раз скорость возрастает в 3 раза и т. д.
      б) Не зависит.
     
      16. Определите на опыте скорость распространения звука в воздухе. Пути, проходимые звуком, целесообразно взять равными 400, 600 и 800 м. В каждом случае сделайте не менее трех измерений. Сравните, насколько отдельные результаты в каждом опыте отличаются от истинного значения (340 м/сек).
      Решение.
      Для выполнения опыта два ученика встают на определенном расстоянии друг от друга. Один из них возбуждает звук и одновременно делает взмах флажком. (В качестве источника звука можно использовать кусок рельса, подвешенного на проволоке, стартовый пистолет и т. д.) Другой включает секундомер в момент взмаха флажка и выключает его в тот момент, когда услышит звук.
     
      17. Придумайте способ демонстрации равномерного движения.
      Возможное решение, а) Стальной шарик, помещенный в стеклянную трубку, наполненную жидкостью, будет двигаться равномерно, если наклонить трубку под некоторым углом к горизонту; б) заводной автомобиль—по ровной поверхности стола и т. д. Проверить равномерность движения можно при помощи ленты с делениями и секундомера: при равномерном движении тело в любые равные промежутки времени проходит пути равной длины.
      18. Сконструируйте прибор для определения скорости ветра.
     
      Возможное решение приведено на рисунке 7. Направление ветра определяется при помощи флюгера, установленного на приборе. Прибор устанавливается так, чтобы плоскость кружка, укрепленного на одном из концов стрелки (кружок может быть сделан из жести), была перпендикулярна направлению ветра. Под действием ветра стрелка повертывается вокруг оси. Шкала может быть проградуирована в единицах скорости.
      Вертикальное и горизонтальное направления.
     
      Уроврнь, отвес, ватерпас
     
      19. Изготовьте отвес, при помощи которого можно было бы не только проверять вертикальность линий, но и определять высоту предметов или делать промеры глубины небольших водоемов, колодцев, шахт и т. п.
      Возможное решение. Следует проградуировать нить отвеса. Вместо нити удобнее использовать узкую ленту со шкалой.
     
      20. Усовершенствуйте ватерпас таким образом, чтобы он позволял не только проверять горизонтальность линий, но и определять углы наклона линий к горизонту.
      Возможное решение. Снабдить ватерпас шкалой, проградуированной в градусах (рис. 8).
     
      21. Придумать опыт, доказывающий, что свободно падающий шарик движется строго по вертикальной линии.
      Возможное решение. Подвесить на гвозде отвес таким образом, чтобы грузик его почти касался какой-либо поверхности (пола, крышки стола и т. д.). В этом месте сделать на поверхности меловую отметку. Из точки закрепления отвеса выпустить пластилиновый шарик, дав ему возможность свободно падать. Шарик падает точно на меловую отметку. Из какой бы точки, лежащей на линии отвеса, ни выпускался шарик, он падает неизменно на меловую отметку. Это доказывает вертикальность его движения при свободном падении.
     
      22. Как определить, горизонтальное ли положение, занимает плоский лист фанеры, стекла, железа и т. д.?
      Возможное решение. Можно указать по крайней мере пять способов решения. Приведем только один из них.
      На стенке стакана (или стеклянной банки) на некотором
      расстоянии от основания краской наносится окружность, плоскость которой параллельна плоскости основания стакана (на рисунке изображена жирной линией). До этой отметки в стакан наливают воду. В том случае, если стакан стоит на горизонтальной поверхности, уровень воды в стакане совпадает с линией окружности. В противном случае с одной стороны он будет выше, а с другой—ниже этой линии (рис. 9).
     
      Сила. Измерение сил
     
      23. Сконструируйте и изготовьте динамометр, в котором вместо спиральной пружинки использовалась бы какая-либо упругая пластинка.
      Решение. Одна из возможных конструкций показана на рисунке 10.
     
      24. Исследуйте, как зависит удлинение резинки от величины растягивающей ее силы. Результаты изобразите графически, сделайте выводы.
      Ответ. График зависимости показан на рисунке 11.
     
      25. Необходимо проградуировать динамометр в пределах от 0 до 4 н, причем цена деления должна составлять 0,2 н. В распоряжении имеется только одна гирька весом 1 н. Как бы вы поступили?
      Решение. Достаточно сделать на шкале две отметки: нулевую, соответствующую ненапряженному состоянию пружины, и отметку, соответствующую нагрузке 1 н. Зная, что удлинение пружины прямо пропорционально приложенной силе, нетрудно проградуировать всю шкалу.
     
      26. Придумайте и проделайте опыты (отличные от уже известных вам), при помощи которых можно показать, что действие сил может проявляться в деформации или изменении движения тел: для упругой силы, силы тяжести и магнитной силы.
     
      Давление
     
      27. Определите величину давления, оставляющего заметную деформацию на поверхности увлажненного песка. Как выполнялось вами это задание, приведите полученные результаты.
      Возможное решение. Для определения величины интересующего нас давления можно воспользоваться небольшой прямоугольной дощечкой. Дощечка, положенная на песок, нагружается гирьками до тех пор, пока на песке не станет заметным ее отпечаток. При расчете давления надо учесть также вес самой дощечки.
     
      28. Определите, какое давление вы производите, стоя неподвижно на полу.
      Возможное решение. Положить на пол лист белой бумаги «в клеточку» (например, из тетради). Встать на лист обеими ногами. По отпечаткам туфель на бумаге определить площадь соприкосновения ног с поверхностью пола. Узнав предварительно свой вес, рассчитать величину давления.
     
      29. Необходимо увеличить глубину рыхления почвы бороной. Что бы вы предложили для этого сделать?
      Ответ. Увеличить вес бороны, заточить зубья.
     
      30. Лопата имеет вид, показанный на рисунке 12, а. Как бы вы видоизменили ее форму, чтобы копать стало легче? Обоснуйте свое предложение.
      Ответ. Заострить лопату (рис. 12, б). При этом давление ее на почву возрастет.
     
      Инерция
     
      31. Придумайте и проделайте опыты (отличные от известных вам), при помощи которых можно показать проявление инерции у покоящихся и движущихся тел.
     
      32. Придумайте опыты, при помощи которых можно показать зависимость инертности тел от массы.
      Возможное решение. Часть горизонтально установленной доски посыпают слоем песка. На некотором расстоянии от границы песка на доску помещают два шарика различной массы. При помощи небольшой дощечки шарики, приводят в движение (рис. 13) с таким расчетом, чтобы оба получили одинаковую скорость. При этом, как показывают наблюдения, по песчаному слою шарик большей массы проходит по инерции больший путь, чем шарик меньшей массы.
     
      33. Свойством инерции обладают не только твердые, но также жидкие и газообразные тела. Придумайте и проделайте опыты, при помощи которых можно показать проявление инерции жидких тел.
      Возможное решение. Проще всего это можно показать, выпуская вверх струю воды из резиновой груши. После прекращения давления на грушу струя еще продолжает движение вверх в течение некоторого времени.
     
      Трение
     
      34. Определите, с каким проявлением трения (полезным или вредным) мы встречаемся в случаях, изображенных на рисунках (рис. 14, а, б, в, г). ■
      Укажите возможные пути увеличения (уменьшения) трения в этих случаях.
      Ответ. а) Полезное. Увеличить трение можно путем применения специальной пасты или натирания канифолью, а также увеличением натяжения ремня, увеличением его ширины и размеров шкивов (при этом увеличивается длина охвата шкивов ремнем, а, следовательно, и площадь соприкосновения).
      б) Вредное. Для того чтобы уменьшить трение, полозья саней следует обить железом.
      в) Полезное. Для увеличения трения на ободы шкивов насаживают шины из материалов, обладающих высоким коэффициентом трения скольжения. Трение можно увеличить также.за счет увеличения размеров шкивов и увеличения давления их друг на друга.
      г) Вредное. Трение приводит к повышению температуры резца и изделия. Это снижает стойкость резца и ведет к непроизводительным затратам энергии. Во избежание чрезмерного перегрева резца и изделия и для снижения трения в процессе работы иногда резец и изделие поливают специальной эмульсией.
     
      35. Для подъема строительного раствора при кладке небольшого дома воспользовались железным ломом, укрепленным в проеме окна, горизонтально, через который перебрасывают проволоку. К одному из ее кондов привязывают ведро, с раствором, а. за свободный конец поднимают ведро наверх (рис. 15). В распоряжении строителей имелись две проволоки одинаковой толщины: стальная и медная. Какую из них выгоднее использовать? Почему?
      Ответ. Выгоднее использовать стальную проволоку, т. к. она прочнее медной, и при прочих равных условиях ; сила трения стали о железо меньше, чем сила трения меди о железо.
     
      36. Выскажите ваши соображения, что легче: привести в движение стопку книг, лежащую на столе, потянув за нижнюю книгу, или вытянуть ее Придерживая (но не приподнимая При этом) остальные?
      Ответ. Легче привести стопку книг в движение, т. к. в этом случае приходится преодолевать лишь силу трения, действующую на нижнюю (соприкасающуюся со столом) обложку книги. Во втором случае преодолеваем также силу трения, действующую на верхнюю обложку книги. Проверить это можно с помощью динамометра.
     
      37. Исследуйте, зависит ли сила трения от площади опоры (при неизменной величине нормального давления).
      Ответ. Не зависит. Это можно показать, помещая брусок на опорную поверхность поочередно различными гранями и измеряя в каждом случае силу трения. Обоснованность вывода возрастет, если эти опыты будут проделаны для различных величин нормального давления (т. е. при различных нагрузках бруска).
     
      38. Исследуйте, зависит ли сила трения от скорости движения тела.
      Ответ. При небольших скоростях (до нескольких десятков сантиметров. в секунду), при которых может быть выполнен данный опыт в лабораторных условиях, сила трения практически не зависит от скорости.
     
      Передача давления жидкостями
     
      39. Сконструируйте прибор, при помощи которого можно демонстрировать как закон Паскаля для жидкостей, так и зависимость давления в жидкости от веса жидкости.
      Возможное решение. Таким прибором может быть, например, сосуд, изображенный на рисунке 16. В стенках сосуда сделано несколько небольших отверстий, расположенных в одной плоскости. Для демонстрации закона Паскаля сосуд заполняют водой несколько выше основания горлышка (цилиндрической трубки). Затем в сосуд вставляют поршень. Давление, создаваемое поршнем, передается в воде по всем направлениям. Это видно по характеру вытекания струек из отверстий: при увеличении давления одновременно возрастает напор всех струек. (Равномерность передачи давления в этом опыте оценивается на глаз.)
      Для демонстрации зависимости давления от веса жидкости сосуд заполняют так, чтобы уровень воды в нем был несколько выше верхнего бокового отверстия в цилиндрической стенке, но не доходил до отверстий в конусообразной части сосуда (примерно до пунктирной линии). Поршень из сосуда при этом вынимают. Б том и другом случае для обеспечения лучшей видимости наблюдаемых явлений используют подкрашенную воду и белый экран фона.
     
      40. Погружайте в широкий сосуд с.водой перевернутый вверх дном тонкостенный стакан (не доводя его до полного погружения), а) Объясните, как изменяется усилие, необходимое для удержания стакана в воде по мере его погружения. б) Каким способом можно определить давление воздуха, заключенного в стакане, в какой-либо момент времени?
      Ответ. а) При медленном опускании стакана в воду вначале приходится придерживать его рукой от быстрого погружения. Однако постепенно требуемое для этого усилие становится все меньше и, наконец, наступает момент, когда для дальнейшего опускания стакана приходится уже прикладывать некоторую силу, направленную вниз и возрастающую по мере его погружения. Описанное явление объясняется тем, что стакан находится под действием .двух противоположно направленных сил: силы тяжести, направленной вниз, и силы давления заключенного в стакане воздуха на дно стакана, направленной вверх1.
     
      1 Строго говоря, дело обстоит несколько сложнее. На стакан еще действует снаружи и изнутри атмосферное давление. Однако его действие на стакан взаимно компенсируется. Поэтому когда речь, идет о давлении воздуха внутри стакана, то под этим следует понимать «избыточное» давление над атмосферным. Кроме того, на стенки Стакана со стороны воды Действует выталкивающая сила, которая в приведенном рассуждении ввиду малости не учитывается.
     
      Вначале вес стакана превосходит силу давления воздуха в нем, и стакан приходится придерживать от опускания. Но по мере погружения стакана возрастает гидростатическое давление, действующее на воздух в стакане, и, следовательно, увеличивается сила Давления воздуха на дно стакана.
      После того как сила давления и вес стакана уравновесятся, для дальнейшего погружения стакана необходимо приложить дополнительную силу, направленную вниз.
      б) Давление воздуха в стакане возникает За счет разности уровней воды в сосуде и стакане (А), и сила давления на дно стакана равна весу столба воды высотой А и площадью поперечного сечения S (рис. 17). Объем такого столба воды (в м3) равен V = Sh, следовательно, масса его (в кг) т = pSh, где р — плотность воды в кг1ма. Но тело массой в 1 кг весит 9,8 н. Следовательно, вес столба в ньютонах будет Р — 9,8 рSh (н), а давление
      р = p/S = 9,8 р А (н/м2)
     
      41. При строительстве зданий возникает необходимость проверки горизонтальности некоторых линий (уровней кладки кирпича, верхних и нижних краев оконных проемов ит. д.). Предложите несложный способ такой проверки, основанный на использовании сообщающихся сосудов.
      Возможное решение. Для проверки горизонтальности линий могут быть использованы сообщающиеся сосуды в виде стеклянных трубок, заполненных водой и соединенных между собой резиновой трубкой. Уровни жидкости в трубках будут всегда находиться на одной горизонтали.
     
      42. Придумайте конструкцию и изготовьте модель фонтана, напор воды в котором оставался бы постоянным. Продемонстрируйте ее в классе.
      Возможное решение .показано на рисунке 18. Жестяной цилиндр (бачок) имеет два отвода: нижний — для соединения с фонтаном, верхний — для стока лишней воды. Вода подается в цилиндр из водопроводного крана при помощи резиновой трубки. Приток воды регулируется зажимом. Поскольку диаметр цилиндра достаточно велик, а расход воды при работе фонтана незначителен, то непродолжительные нарушения в «водоснабжении» установки не влияют на работу фонтана. Напор его остается неизменным. Это можно показать, зажимая на короткое время резиновую трубку, идущую от крана, и прекращая таким образом поступление воды в цилиндр.
     
      43. Сконструируйте модель фонтана, напор воды в котором можно было бы по желанию менять в определенных пределах.
      Возможное решение. Установка та же, что в задании 42, только бачок делается подъемным.
     
      44. Внесите предложения, как, используя шар Паскаля, установить, что давление в газах передается по различным направлениям одинаково. Проверьте на опйте.
      Возможное решение. Два любых отверстия шара соединяют резиновыми шлангами с двумя жидкостными манометрами (рис. 19). Осторожно, чтобы не выплеснулась вода из манометров, перемещают, поршень вниз и создают внутри шара повышенное давление. При этом оба манометра показывают одинаковое, давление. (Если воздух из шара выходит слишком быстро, можно часть отверстий залепить пластилином.)
      Если поршень переместить не до конца, то давление внутри шара будет постепенно спадать за счет выхода воздуха из остальных отверстий. Манометры отметят уменьшение давления, но в любой момент показания их будут одинаковыми.
      Опыт можно поставить и с одним манометром. В этом случае резиновые трубки, идущие от двух отверстий шара, присоединяют к обоим коленам манометра.
      Примечание. Если шар не имеет выступов, то трубки можно присоединить к отверстиям с помощью пластилина.
     
      45. В лабораторию принесли несколько надувных синтетических баллонов, отобранных из большой партии, для определения максимального, давления, которое они способны выдерживать. Как бы вы организовали такую проверку? Поясните свое решение рисунком.
      Возможное решение. Схема установки для проведения данного испытания приведена на рисунке 20. С помощью манометра определяем максимальноедавление, при котором баллон разрывается. Нужно провести испытание на нескольких баллонах и взять среднее значение максимального давления.
     
      Свойства воздуха. Атмосферное давление
     
      46. Придумайте и проделайте опыты, с помощью которых можно доказать, что воздух обладает упругостью.
      Возможные решения, а) Сжимаемый под поршнем в цилиндре воздух выталкивает поршень обратно.
      б) Стеклянная банка с узким горлом (бутылка, колба) плотно закрывается резиновой пробкой с пропущенной сквозь нее стеклянной воронкой. Попытка быстро наполнить банку водой кончается неудачей: вода очень скоро перестает вытекать из воронки, удерживаемая сжатым воздухом.
     
      47. Как, не выпуская воздуха из детского резинового шара, сделать объем шара больше? (Форма при этом должна сохраняться.) Как при тех же условиях сделать объем шара меньше? Проверьте свои предложения на опытах. Опыты покажите учащимся в классе.
      Решение. Поместить шар под колокол воздушного насоса. В первом случае нужно выкачивать воздух из-под колокола, во втором — нагнетать воздух под колокол (колокол при этом нужно прижимать руками к тарелке насоса).
     
      48. Бутылка плотно закрыта пробкой. Как, используя атмосферное давление, открыть пробку, не прикасаясь к ней руками? Предложите способ.
      Решение. Поместить бутылку под колокол воздушного насоса и выкачивать воздух из-под колокола. Давлением воздуха в бутылке пробка будет вытолкнута.
     
      49. Атмосферное давление используется иногда в технике для транспортировки сыпучих тел. Так, например, существуют устройства, благодаря которым зерно удобно и быстро переправляется из трюмов судов в элеваторы. Как это можно осуществить?
      Ответ. В зерно погружают конец трубы, идущей от элеватора. С противоположного конца из трубы откачивают воздух. Благодаря атмосферному давлению зерно засасывается в трубу и гонится по ней.
     
      50. Из очень мелкого ручейка необходимо наполнить водой бутылку. Как проще и быстрее это сделать, если в распоряжении имеется еще кусок резиновой трубки? Решение проверить на опыте.
      Решение. Ввести в бутылку конец резиновой трубки. Перевернуть бутылку горлышком вниз (придерживая в ней трубку) и погрузить горлышко в воду. Втянуть в себя через трубку воздух, заключенный в бутылке (рис. 21). Вода войдет в бутылку.
     
      51. Сконструируйте и., изготовьте дозатор жидкости (объём не менее 50 см3) — прибор, при помощи которого можно быстро и удобно набирать из различных сосудов (стаканов, бутылок, колб и т. п.) требуемое количество жидкости.
      Возможное решение. Дозатор представляет собой небольшой водяной насос (рис. 22) Широкая стеклянная трубка проградуирована в кубических сантиметрах. Длину тонкой трубки подбирают в зависимости от размеров сосудов, с которыми приходится работать.
     
      52. Используя стеклянную банку или толстостенный стакан и кусок плоской резины (например, от волейбольной камеры), изготовьте модель барометра-анероида, продемонстрируйте действие модели под Колоколом воздушного насоса. Укажите, от чего зависит чувствительность прибора предложенной, вами конструкции.
      Возможное решение. Банка плотно затягивается сверху куском резины. К краю банки прикрепляют (притягивается нитью к стенке банки) небольшой стержень, на котором находится ось стрелки. Один конец стрелки, утяжеленный грузиком, опускается на резину в центре круга. Другой конец (заостренный) служит для отсчета показаний на шкале (рис. 23). Банка устанавливается на деревянную подставку, к которой прикрепляют шкалу барометра. Для демонстрации прибор помещают под колокол воздушного насоса. При откачивании воздуха из-под колокола («падении атмосферного давления») резиновая пленка прогибается, и стрелка барометра показывает изменение давления.
      Чувствительность прибора приведенной выше конструкции зависит от ряда обстоятельств: объема банки, размеров ее верхнего отверстия, затянутого резиновой пленкой, упругости резины, соотношения «плеч» стрелки и др. Чувствительность возрастает, если объем банки, размеры ее верхнего отверстия и отношение плеч стрелки увеличить, а упругость резины уменьшить.
     
      Архимедова сила
     
      53. Сконструируйте и изготовьте простейшие весы, действие которых основывается на использовании архимедовой силы. Укажите, от чего зависит чувствительность и предел измерений ваших весов.
      Возможное решение. Пробирку погружают в мензурку с водой (рис. 24). Для обеспечения устойчивости пробирки в воде в нее насыпают немного дроби или песка. Сверху на пробирке укрепляют чашечку для грузов (ее можно вырезать из теннисного шарика, детского резинового мячика и т. п.). Нагружая пробирку различными гирьками, нетрудно проградуировать ее в ньютонах.
      Чувствительность весов приведенной конструкции будет зависеть от диаметра пробирки: чем меньше диаметр, тем выше чувствительность, а предел измерений — от объема пробирки.
     
      60. Необходимо проверить, изменятся ли плотность воды в водоеме (например, в соленом озере) с глубиной. Придумайте по возможности простой способ такой проверки. Затем подготовьте и проделайте опыт, при помощи которого можно проверить идею вашего решения.
      Возможное решение. В воду на тонкой нити опускают груз. Верхний конец нити прикреплен к динамометру. Если плотность воды с глубиной не изменяется, то и показания динамометра останутся без изменения. Если плотность воды возрастает, то возрастает выталкивающая сила, действующая на груз: показания динамометра уменьшатся.
      Проверить это можно с помощью цилиндрической мензурки, в которую нужно налить (примерно до половины) крепкого раствора соли, а сверху добавить чистой воды. В качестве погружаемого тела можно взять, например, цилиндрик от ведерка Архимеда.
     
      62. 1. Исследовать зависимость величины выталкивающей силы от объема погружаемого в жидкость тела; от плотности жидкости.
      2. Исследовать, зависит ли величина выталкивающей силы от плотности погружаемого в жидкость тела; формы тела; глубины погружения тела в жидкость.
      Оборудование. Химический стакан объемом 0,5 л с водой; такой же стакан с крепким раствором поваренной соли (плотность 1200 кг/м3), гипсовый прямоугольник объемом 50 см3 (2x5x5 см) с крючком, покрашенный масляной краской; такой же прямоугольник из пластилина; гипсовый прямоугольник объемом 100 см3 (4x5x5 см); шар из пластилина объемом 50 см3; динамометр Бакушинского; нить длиной 20—25 см с петлями на концах; линейка.
     
      Работа и мощность. Понятие об энергии
     
      63. Кинетическая энергия зависит от массы тела и от скорости его движения. Придумайте опыты, при помощи которых это можно показать.
      Возможное решение. Два шара различной массы, находящиеся на горизонтальной поверхности (например, поверхности стола), одновременно приводят в движение при помощи дощечки (рис. 29). На пути движения шаров ставят одинаковые брусочки. Шар большей массы, ударяясь о брусочек, перемещает его на большее расстояние, чем шар меньшей массы, т. е. совершает большую работу. Это доказывает, что первый шар обладает большей энергией. Аналогичным образом, приводя в движение с различной скоростью один и тот же шар, можно показать зависимость энергии от скорости движения.
      64. Потенциальная энергия поднятого тела зависит от веса тела и высоты, на которую оно поднято. Придумайте опыты, при помощи которых это можно продемонстрировать.
      Возможное решение. Перекинутый через блок груз Перемещает по горизонтальной поверхности брусок. Сила тяги может быть определена при помощи динамометра (рис. 30). Один и тот же груз, поднятый на большую высоту, перемещает брусок с одинаковой силой, но на большее расстояние, т. е. совершает большую работу. Следовательно, энергия его с увеличением высоты подъема возрастает. Затем можно показать, что более тяжелый груз способен перемещать более тяжелый брусок. При этом возрастает и сила тяги. Следовательно, работа по перемещению бруска (а значит, и энергия поднятого тела) в этом случае оказывается большей.
     
      66. Сконструируйте (а если сможете, то и изготовьте) модель катера, который мог бы передвигаться за счет потенциальной энергии поднятой воды. Укажите, от чего зависит дальность проплыва вашей модели.
      Воз ‘М о жное решение. Над катером укрепляют бак, наполняемый водой (рис. 32). От днища бака отходит трубка, конец которой пропускают сквозь корму. Трубку перекрывают зажимом. После того как бак наполнен, зажим открывают й за счет реактивного действия вытекающей струи катер приходит в движение. Дальность проплыва катера зависит от потенциальной энергии воды (массы воды в баке и высоты ее над уровнем воды в водоеме), а также от силы сопротивления, испытываемой катером при движении. Очевидно, эта сила зависит от размеров и особенностей устройства катера.
     
      67. Докажите на опыте, что использование, наклонной
      плоскости не дает выигрыша в работе. В качестве тел, перемещаемых по наклонной плоскости, возьмите в одном случае деревянный лабораторный каток с проволочной дужкой (или тележку), а в другом — брусок. Сравните результаты опытов и объясните их.
      Решение. Работа, совершаемая при вкатывании катка на наклонную плоскость, равна произведению силы тяги, действующей на каток (определяется при помощи динамометра), на длину наклонной плоскости (рис. 33). Работа по подъему катка на ту же высоту без наклонной плоскости равна произведению веса катка на высоту наклонной плоскости. Расчет, сделанный на основе данных, полученных из опыта, показывает, что эти работы примерно равны.
      Работа же по перемещению бруска по наклонной плоскости оказывается большей, нежели работа по подъему бруска на ту же высоту. Разница в результатах опытов с катком и бруском объясняется разницей в силах трения. В первом случае (при движении катка) сила трения очень мала, во втором — значительно больше.
     
      68. Докажите на опыте, что применение подвижного блока не дает выигрыша в работе. Приведите расчеты.
      Решение. Собрав установку, изображенную на рисунке 34, убеждаемся вначале в том, что сила, необходимая для равномерного подъема груза (гирьки), в два раза меньше его веса (если пренебречь весом блока).
      Перемещая груз на некоторое расстояние, рассчитываем работу, совершаемую этой силой.
      Убеждаемся, что она равна работе, которую пришлось бы затратить для подъема груза на ту же высоту без помощи блока.
     
      69. Докажите на опыте, что при помощи ворота нельзя получить выигрыша в работе.
      Приведите расчеты.
      Возможное решение. Изготовив модель ворота, убеждаемся, что сила F, необходимая для подъема груза, во столько же раз меньше груза, во сколько раз длина рукоятки ворота больше радиуса вала (рис. 35). Затем определяем, на какую высоту h поднимется груз при одном обороте рукоятки. Путь s, проходимый точкой приложения силы F, равен длине окружности, описываемой концом рукоятки. Определить длину окружности нетрудно, начертив ее на бумаге и наложив на нее влажную нитку. Опыт показывает, что Ph = Fs, т. е. выигрыша в работе с помощью ворота мы не получаем.
     
      70. Изготовьте модель механизма, сочетающего в себе рычаг с подвижным блоком, с помощью которого силой в 1 н можно поднимать груз весом 8 н.
      Возможное решение показано на рисунке 36. При этом А В = 4ВС.
     
      72. Спортивный велосипед имеет устройство для переключения скоростей, состоящее из трех шестеренок с различным числом зубцов, насаженных на задней ведущей оси. Если соединить цепь велосипеда с малой шестеренкой, т. е. увеличить передаточное число, то при одинаковой скорости вращения педалей велосипед движется быстрее, чем при соединении цепи с большей или средней шестеренками. Не противоречит ли это закону сохранения энергии? Объясните. Если у вас есть такой велосипед, попробуйте подтвердить свои рассуждения опытом.
      Ответ. С увеличением передаточного числа велосипеда возрастает сила, необходимая для вращения педалей с прежней скоростью. Поэтому, хотя велосипед и движется при при этом быстрее (т. е. за одинаковое время проходит больший путь), выигрыша в работе не получается.
      Опыт показывает, что во сколько раз уменьшается число зубцов на шестеренке, во столько же раз возрастает сила, прикладываемая к педали.
     
     
      ТЕПЛОТА
     
      Тепловое расширение тел. Способы передачи теплоты
     
      73. Придумайте опыт, при помощи которого можно продемонстрировать удлинение тонкой проволоки при нагревании. Укажите, от чего зависит эффективность предложенного вами опыта.
      Возможное решение. Проволоку натягивают над столом так, как показано на рисунке 38. Один ее конец закрепляют неподвижно, другой — перебрасывают через блок (катушка от ниток, надетая на толстую вязальную спицу), и к нему подвешивают груз. К катушке прикрепляют стрелку. При нагревании проволоки стрелка поворачивается, что свидетельствует об удлинении проволоки (опыт получается более выразительным при нагревании проволоки электрическим током до красного свечения). Эффективность опыта зависит от длины нагреваемого участка проволоки, температуры нагрева, материала проволоки, а также от диаметра катушки (чем меньше диаметр, тем на больший угол повернется стрелка при одинаковом удлинении проволоки).
     
      74. Исследуйте, зависит ли тепловое расширение от рода жидкостей. Для исследования возьмите, например, воду и керосин. В качестве нагревателя используйте ванночку с горячей водой.
      Возможное решение. Исследуемые жидкости наливают в две одинаковые, предварительно проградуированные пробирки, которые затем погружают в горячую воду. Отмечают первоначальные и конечные объемы жидкостей в пробирках, что позволяет сделать вывод о степени расширения разных жидкостей при нагревании. При выполнении исследования необходимо предусмотреть следующие обстоятельства: первоначальный объем жидкостей,
      глубина их погружения в горячую воду и время нагревания должны быть одинаковыми.
      Для того чтобы сделать опыт более убедительным, целесообразно .поступить следующим образом. Плотно закрыть пробирки резиновыми пробками с пропущенными сквозь них узкими стеклянными трубочками, верхние концы которых поднимаются над пробкой на несколько сантиметров. Затем наполнить пробирки жидкостями с таким расчетом, чтобы уровни их установились в трубках несколько выше верхнего края пробки (рис. 39). В этом случае нагревание жидкости в пробирке вызовет более заметное изменение ее уровня в трубке.
     
      75. Известно, что объем льда больше объема воды, из которой он образуется. Установите с помощью опыта, на сколько больше.
      Возможное решение. Исследование можно провести, замораживая воду в открытой проградуированной пробирке или; цилиндрической мензурке. Объем льда оказывается примерно на 1/10 часть больше объема воды при 0°С.
     
      76. Какими способами (включая изменения в конструкции прибора) можно увеличить выразительность пирометра — прибора- для демонстрации теплового расширения тел (рис. 40).
      Ответ. Повысить выразительность прибора мржно увеличением отношения плеч первого и второго рычагов, а также увеличением длины нагреваемого участка стержня, мощности пламени, применением стержня с наибольшим коэффициентом линейного расширения.
     
      77. Для технических целей иногда используют лед, нарезаемый зимой на реках или прудах большими брусками. Что нужно предпринять, чтобы слой льда нарастал более толстым, не применяя искусственного полива?
      Ответ. Нужно систематически очищать лед от выпадаемого снега, который является плохим проводником тепла. Тогда лед будет быстрее нарастать.
     
      78. Исследуйте, зависит ли скорость распространения теплоты вдоль проволоки от ее толщины.
      Возможное решение. Две проволоки из одинакового материала, но разной толщины натягивают над столом под некоторым углом друг к другу, как показано на рисунке 41. В месте пересечения проволоки скручивают или (лучше) зажимают согнутой медной или алюминиевой полоской. Место соединения нагревают в пламени спиртовки. Для сравнения скорости распространения теплоты вдоль проволок на них наклеивают восковые шарики. По скорости отпадания шариков можно судить о скорости нагревания проволок. При, выполнении этого исследования необходимо учитывать, что условия нагревания проволок и способы крепления шариков должны быть одинаковыми.
     
      79. Исследуйте, изменится ли скорость нагревания воды в сосуде, если на поверхность воды налить тонкий слой масла (рис. 42). Сделайте выводы. Результаты объясните.
      Ответ. Так как слой масла затрудняет отток тепла от воды в окружающее пространство, то вода нагревается быстрее. Это происходит потому, что масло при той же температуре испаряется менее интенсивно, чем вода.
     
      80. Сконструируйте прибор, при помощи которого можно показать, что теплота хорошо распространяется в воде путем конвекции.
      Возможное решение. Электрическую спираль погружают примерно до середины в сосуд, наполненный водой (рис. 43). Температуру воды в верхней и нижней частях сосуда измеряют с помощью двух термометров. При пропускании по спирали тока показания верхнего термометра растут во много раз быстрее, чем нижнего. Но конвекция происходит лишь в верхней половине сосуда, следовательно, верхние слои нагреваются в основном за счет конвекции.
     
      81. Исследуйте, зависит ли скорость распространения теплоты при передаче ее путем конвекции от рода взятой жидкости. В качестве исследуемых жидкостей возьмите воду, растительное масло и керосин, а в качестве нагревателя — ванночку с горячей водой.
      Возможное решение. Исследуемые жидкости наливают в одинаковые пробирки до одного уровня. Пробирки, укрепленные в общем держателе, одновременно опускают (на одинаковую глубину) в ванночку с горячей водой. Температура верхних слоев жидкости в пробирках измеряется с помощью термометров (рис. 44). (На каждый термометр в верхней части надето резиновое кольцо, за которое термометр подвешивают на нитке к штативу.) Наблюдения за показаниями термометров убеждают в том, что скорость распространения теплоты в жидкостях путем конвекции у разных жидкостей различна.
     
      82. С помощью двух больших сферических зеркал («зеркал Пиктэ») можно показать эффектный опыт. Установив зеркала отражающими поверхностями навстречу друг другу на расстоянии 2—2,5 м и поместив в фокус одного из них проекционную лампу мощностью 500 вт, можно зажечь спичку или нагреть до кипения воду в пробирке, вводя их в фокус другого зеркала (рис. 45). Докажите, сначала путем рассуждения, а затем на опыте, что в этом эксперименте теплота передается за счет излучения, а не за счет теплопроводности или конвекции.
      Ответ; Теплопроводность воздуха слишком мала, чтобы на тгшом значительном расстоянии она могла играть заметную роль в передаче теплоты. В результате же конвекции нагреваются вышележащие слои воздуха (над лампой). Следовательно, в данном случае теплопередача осуществляется в основном путем излучения. Нетрудно показать, перемещая вдоль оси зеркал небольшой белый экран, что концентрация световых лучей в очень небольшой области пространства (в фокусе второго зеркала) приводит к наблюдаемому тепловому эффекту: на более близких расстояниях к первому зеркалу спичка не загорается.
     
      83. Сконструируйте, а если сможете, то изготовьте, самодельный походный термос.
      Возможное решение. Изготовленный из бе- лой жести бидон помещают внутрь цилиндрического ведерка, боковая поверхность которого также сделана из белой жести (рис. 46). Бидон закрепляют с помощью трех подставок, прибитых к деревянному донышку, и деревянной крышки ведерка, в которой прорезано отверстие для горлышка бидона. Пространство между ведерком и бидоном заполняют ватой или войлоком. Крышку и донышко ведерка снаружи окрашивают в белый цвет. Для удобства ведерко снабжено железной дужкой.
     
      Удельная теплоемкость. Расчет количества теплоты
     
      84. Как проще сравнить удельные теплоемкости двух различных металлов, не имея таблицы удельных теплоемкостей? (Большая точность не требуется.) Предложите способ.
      Ответ. Одинаковые по весу куски сравниваемых металлов нагреть до одной и той же температуры (например, до 100° С в кипящей воде) и опустить в одинаковые калориметры. Разность температур воды в калориметрах, возникшая в результате нагревания, будет приблизительно пропорциональна удельным теплоемкостям металлов.
     
      Изменение агрегатных состояний вещества
     
      87. Придумайте опыт, при помощи которого можно наглядно показать, что скорость испарения зависит от:
      а) рода взятой жидкости; С) температуры жидкости; в) движения воздуха над поверхностью жидкости.
      Возможное решение, а) На чашки весов ставят два одинаковых кристаллизатора, в один из которых наливают воду, а в другой — растительное масло (можно взять воду и спирт или другие пары жидкостей). Чашки весов приводят в состояние равновесия и так оставляют их стоять некоторое время. Постепенно равновесие весов нарушается, что свидетельствует о неодинаковой скорости испарения жидкостей.
      б) Установка прежняя, только в кристаллизаторы наливают одну и ту же жидкость, но при различной температуре (например, холодная и горячая вода). Через некоторое время чашка весов, на которой установлен кристаллизатор с холодной водой, опустится.
      в) Та же самая установка. В кристаллизаторы наливают одну и ту же жидкость при одинаковой температуре. Воздух над поверхностью воды в одном из кристаллизаторов, после уравновешивания весов приводят в движение с помощью вентилятора (или от руки — листом картона, плотной бумаги и т. д.). Другую чашку весов закрывают экраном от потока воздуха. Через некоторое время чашка весов, над которой воздух остается неподвижным, опустится.
      88. Исследуйте, зависит ли температура кипения раствора, поваренной соли от концентрации. Постройте график исследованной вами зависимости.
      Ответ. С увеличением концентрации раствора температура кипения повышается.
     
     
      ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
     
      Электростатика
     
      90. Сконструируйте и изготовьте прибор, который, подобно электроскопу, позволял бы обнаруживать электризацию тел.
      Возможное решение. Проволоку, изогнутую в виде буквы Г, опускают длинным концом в бутылку. На наружный ее конец навешивают согнутую пополам полоску тонкой бумаги (рис. 47). «Электроскоп» готов. При выполнении опыта наэлектризованное тело подносят к месту сгиба проволоки.
     
      91. Установите на опыте, можно ли при электризации трением одного и того же тела получить различные по знаку заряды, если использовать в качестве электризуемых тел стекло, эбонит, резину.
      Ответ. Можно. Например, эбонит при натирании его резиной и бумагой электризуется положительно, а при натиргнии мехом и шелком — отрицательно. Знак заряда обнаруживают при помощи электроскопа.
     
      92. Как обнаружить, заряжено ли тело, не имея в распоряжении никаких электрических приборов?
      Возможное решение. Поднести к исследуемому телу легкий шарик (или кусочек тонкой бумаги), подвешенный на изолирующей нити. Если тело заряжено, шарик притянется к нему.
     
      93. Зарядите электроскоп зарядом любого знака. Укажите способ, при помощи которого можно изменить угол отклонения листочков электроскопа, не пользуясь заряженными телами. Объясните этот способ с точки зрения электронной теории.
      Возможное решение. Изменять угол отклонения листочков электроскопа можно, приближая к шарику электроскопа или удаляя от него какой-либо проводник, например руку. При этом на руке через влияние возникнет заряд, противоположный по знаку заряду, имеющемуся на электроскопе. Он вызовет перераспределение зарядов на электроскопе. В результате этого заряд на листочках уменьшится, при этом уменьшится и угол их отклонения.
     
      94. Укажите способ, как зарядить электроскоп положительным зарядом, имея в распоряжении только отрицательно заряженную палочку. Проверьте его на опыте.
      Возможное решение. Поднести к шарику электроскопа (не касаясь его) отрицательно заряженную палочку. Не отводя палочку, коснуться на мгновение шарика электроскопа пальцем. Под влиянием поля, созданного палочкой, часть электронов через руку уйдет из стержня электроскопа, и электроскоп окажется заряженным положительно.
     
      95. Придумайте способ, с помощью которого можно заряжать зарядами любого знака какое угодно количество проводников, имея в распоряжении всего лишь один заряженный (безразлично каким знаком) проводник.
      Возможное решение. Пусть тело А заряжено положительно. Поднесем к нему (не касаясь) два других тела (В и С), подвешенных на изолирующих нитях, и приведем эти тела в соприкосновение, как показано на рисунке 48. В результате электризации через влияние в этих телах произойдет перераспределение зарядов. На внешней стороне тела В возникнет отрицательный заряд, а на внешней стороне тела С — положительный. Если теперь развести тела В и С, заряды на них останутся. Таким способом можно зарядить любое количество тел, не изменяя величины заряда тела А.
     
      96. Исследуйте, как ведут себя листочки слабо заряженного электроскопа при приближении к нему сильно наэлектризованной (зарядом противоположного знака) палочки. Объясните наблюдаемое.
      Ответ. Листочки вначале опадут, но при дальнейшем приближении палочки к шарику электроскопа снова, начнут расходиться. Это явление можно объяснить тем, что по мере приближения палочки к шарику электроскопа заряд с нижнего конца стержня электроскопа и с листочков постепенно переходит в верхний конец; поле внутри электроскопа уменьшается, и листочки опадают. Наступит момент, когда поле внутри электроскопа станет равным нулю,, при этом листочки полностью опадут. При дальнейшем приближении палочки на нижнем конце стержня электроскопа появится заряд, одноименный с зарядом палочки. Внутри электроскопа вновь возникнет поле, и листочки снова расходятся.
     
      97. Если к проводнику, соединяющему два электрометра, поднести заряженную палочку, то листочки обоих электрометров разойдутся (рис. 49). Если теперь, не убирая палочки, снять разрядник, то электрометры окажутся заряженными. Исследуйте, зависят ли знаки и величины зарядов на электрометрах от положения наэлектризованной палочки в тот момент, когда снимается разрядник.
      Ответ. При изменении положения палочки величины зарядов на электрометрах изменятся. Могут измениться и знаки зарядов.
     
      98. Наэлектризовать можно любое тело, в частности воду. Попытайтесь это сделать с помощью электрофорной машины. Как обнаружить затем электризацию воды?
      Возможное решение. Наружные стенки и дно стакана хорошо просушить и поставить его на столик с изолирующими ножками. Налить воду в стакан. К одному из кондукторов электрофорной машины присоединить гибкий проводник, а другой конец проводника при помощи стеклянной или. эбонитовой палочки опустить в стакан с водой-(рис. 50). Сделать несколько оборотов рукояткой машины и затем удалить конец проводника из воды. Вода окажется заряженной. В этом можно убедиться, если при помощи разрядника соединить воду с электрометром. (Одним концом разрядника касаемся стержня электрометра, другим — воды.)
      Электризацию воды можно обнаружить и иначе. Если поднести к ее поверхности палец, между пальцем и водой проскочит маленькая искра. На поверхности воды в этой точке образуется небольшой бугорок, от которого расходятся концентрические окружности.
     
      Электрическая цепь
     
      99. Придумайте схему звонковой проводки, которая позволяла бы звонить из одного места (например, от парадного) в три разные квартиры и требовала минимального расхода материалов.
      Возможное решен не приведено на рисунке 51.
     
      100. Придумайте схему проводки, которая бы давала возможность любому из двух пассажиров купе, лежащих на противоположных полках, включить или выключить одну (общую) лампочку.
      Возможное решение приведено на рисунке 52.
     
      101. Придумайте устройство и схему, чтобы, открывая входную дверь, в одной из комнат загоралась сигнальная лампочка.
      Возможное решение. К входной двери, при открывании поворачивающейся вокруг оси О (рис. 53), прикреплена упругая пластинка А. При открывании двери пластинка замыкает цепь — лампочка загорается; при закрывании двери цепь размыкается — лампочка гаснет.
     
      102. На рисунке 54 изображена электрическая схема. Попробуйте ее усовершенствовать с таким расчетом, чтобы провода пошло меньше.
      Возможное реш ей и е приведено на рисунке 55.
     
      103. Придумайте схему включения сигнальной лампочки, которая должна гореть при проходе трамвая через опасный для пешеходов участок пути, а затем гаснуть.
      Возможное решение приведено на рисунке 56.
     
      Сила тока, сопротивление, напряжение. Закон Ома
     
      Значительная часть заданий этой темы может быть выполнена в форме фронтального исследовательского эксперимента на уроке. В ряде случаев, когда задание состоит из нескольких частей (задания № 104, 107), целесообразно делить класс на группы с тем, чтобы каждая группа выполняла только одну часть задания. После выполнения работы отдельными группами подводится общий итог.
      При повторении темы ученикам можно предложить несколько заданий (три-четыре) на выбор, располагая их по степени трудности. Выполнение таких заданий служит не только проверкой усвоения материала учащимися, но и их умения осознанно его применять.
     
      104. Исследовать зависимость сопротивления проводника: а) от его длины; б) от площади поперечного сечения (численное значение площади поперечного сечения имеющихся в наборе Проводников указывается); в) от материала проводника.
      Оборудование: щелочной аккумулятор, два Рис. 57. штатива с изолирующими держателями, набор проводников различной толщины, обладающих высоким удельным сопротивлением (например, константановые, нихромовые, стальные) длиной 30—60 см, школьный лабораторный амперметр, линейка, соединительные провода, ключ.
      Решение. Собирают цепь по схеме, изображенной на рисунке 57. Для выполнения первого исследования берут два или три проводника различной длины (удобно, если длины проводников относятся как числа 1:2:3), но из одинакового материала и с одинаковой площадью поперечного сечения. Поочередно включают их в цепь и измеряют силу тока. Убеждаются, что сила тока в цепи обратно пропорциональна (а сопротивление прямо пропорционально) длине проводника.
      Аналогичным образом выполняются и два других исследования.
     
      105. а) Соберите установку, при помощи которой можно показать, что растворы солей, кислот и щелочей являются проводниками электрического тока.
      Замечание. Учителю следует предупредить учеников, желающих выполнять это задание, о том, что для получения растворов следует брать дистиллированную воду и выдать ее перед началом работы.
      б) Исследовать зависимость сопротивления электролита: от концентрации раствора; от температуры электролита.
      Возможное решение. В чистый сухой стеклянный стакан наливают дистиллированную воду и погружают два электрода (угольные, медные или латунные). Собирают установку, изображенную на рисунке 58. Наблюдают, что чистая дистиллированная вода не проводит ток. Затем в стакан добавляют пипеткой по капле кислоту (серную, соляную) или крупинки поваренной соли и перемешивают раствор. Гальванометр обнаруживает ток в цепи, который постепенно увеличивается с повышением концентрации раствора. Затем, не изменяя концентрации раствора, подогревают стакан на спиртовке. При этом показания гальнанометра увеличиваются, вместо гальванометра можно использовать низковольтную лампочку.
     
      106. Исследуйте (качественно), зависит ли сопротивление растворов от длины и поперечного сечения столбика электролита, находящегося между электродами.
      Возможное решение. Для выполнения исследования можно воспользоваться установкой, описанной в решении к предыдущему заданию. Сближая и разводя электроды, можно установить,.что с увеличением длины столбика электролита сила тока в цепи уменьшается, а сопротивление его возрастает. Приподнимая электроды (т. е. уменьшая площадь поперечного сечения столбика электролита), наблюдаем возрастание сопротивления.
     
      107. Исследовать зависимость , величины тока: а) от напряжения при постоянном сопротивлении; б) от сопротивления при постоянном напряжении на проводнике.
      Решение, а) Составляют цепь по схеме, изображенной на рисунке 59. Меняя сопротивление реостата, определяют в каждом случае силу тока в цепи и напряжение на концах сопротивления. Устанавливают зависимость между U и I при постоянном R.
      б) Составляют цепь по схеме, изображенной на рисунке 60. Замыкают цепь и отмечают показания приборов. Затем оставляют два сопротивления, устанавливают при помощи реостата прежнее напряжение и отмечают силу тока. Наконец проделывают опыт с одним сопротивлением и на основании всех полученных данных делают вывод о зависимости I от R при постоянном U.
     
      111. Как бы вы включили лампу, на цокоде которой написано 12 в, 1 а, если напряжение источника тока 36 в? Кроме.того, имеются реостаты, на которых приведены такие данные: 1) 100 ом, 0,5 а; 2) 16 ом, 2 а; 3) 40 ом, 1,2 а.
      Ответ. Нужно включить последовательно с лампой третий реостат и, регулируя его сопротивление, добиться, чтобы лампа горела нормальным накалом. Остальные два реостата для этой цели не подходят. У первого мал допустимый ток (меньше, чем требуется для нормального горения лампы). У второго — мало сопротивление. Даже если ввести его полностью, общее сопротивление реостата и лампочки слишком мало, и ток, идущий через лампочку, будет больше допустимого.
     
      112. Сконструируйте и изготовьте реостат на 3 ом. Предусмотрите приспособление, которое позволяло бы сразу определять величину введенного сопротивления.
      Возможное решение показано на рисунке 64. Проводники натянуты на некоторой высоте над панелькой, изготовленной из изолятора. Сбоку на панельке имеется шкала, проградуированная в омах. По двум параллельным проводникам с высоким удельным сопротивлением.скользит замыкающий металлический ползун. Один из концов ползуна находится над шкалой и сделан в виде стрелки, с помощью которой ведут отсчет сопротивлений.
     
      113. Изготовьте сопротивление на колодке, которое с помощью несложных переключений можно делать равным 0,5 ом, 1 ом и 2 ом. .
      Возможное решение показано на рисунке 65. Между клеммами А В и СД натянуты проводники сопротивлением 1 ом каждый. Соединив между собой клеммы В и Д, получим сопротивление 2 ом (в цепь включается с помощью клемм Л и С). Соединив клеммы АС и ВД, получим сопротивление 0,5 ом (в цепь включается с помощью клемм АВ или СД).
     
      114. Исследовать изменение напряжения в зависимости от сопротивления отдельных участков последовательно соединенной цепи.
      Решение. Собирают цепь по схеме (рис. 66). При помощи вольтметра поочередно измеряют падение напряжения на каждом из сопротивлений при некоторой силе тока. Устанавливают, что падение напряжения на сопротивлениях пропорционально величине сопротивлений. Вывод проверяют при другом значении силы тока.
     
      Последовательное и параллельное соединение проводников
     
      115. Предскажите, изменится ли напряжение на участках последовательно соединенной цепи, если в нее включить (тоже последовательно) еще одно сопротивление. Дайте обоснованный ответ, а затем проверьте на опыте.
      Ответ. При последовательном включении еще одного сопротивления сила тока в цепи уменьшится. Поскольку сопротивление остальных участков осталось без изменения, то на основании формулы U = IR можно утверждать, что напряжение на всех этих участках цепи уменьшится.
     
      117. Имеются источник тока_ напряжением 12 в и реостат, на паспорте которого написано: 30 ом; 5 а. Каким образом с помощью этих приборов можно получить напряжение в пределах от 0 до 12 в? Придумайте способ.
      Возможное решение. Нужно соединить источник тока с нижними клеммами реостата. Тогда при перемещении ползунка реостата от одного крайнего положения до другого напряжение между клеммами изменится от 0 до 12 в.
     
      118. Исследовать (качественно) изменение сопротивления параллельного соединения при увеличении числа его ветвей.
      Решение. Собирают цепь по схеме (рис. 67). По данном приборов рассчитывают сопротивление параллельного соединения. Затем параллельно первым двум сопротивлениям включают третье и снова определяют сопротивление разветвления. Опыт показывает, что с увеличением числа ветвей сопротивление параллельного соединения уменьшается.
     
      121. Исследовать распределение токов в ветвях параллельного соединения в зависимости от сопротивления ветвей. Сравнить сумму сил токов в ветвях с силой тока в нераз-ветвленной части цепи. Сделать выводы.
      Решение. Составляют цепь по схеме, изображенной на рисунке 69. Амперметр поочередно включают в каждую ветвь, а затем в неразветвленную часть цепи. Из опыта делают выводы: 1) сила токов в ветвях параллельного соединения обратно пропорциональна сопротивлениям ветвей; 2) сумма сил токов в ветвях равна силе тока в неразветвленной части цепи.
     
      122. Предскажите, как изменятся напряжения на участках последовательно соединенной цепи, если к одному из участков подключить параллельно сопротивление. Ответ обоснуйте, а затем проверьте на опыте.
      Ответ. При параллельном присоединении сопротивления к одному из участков цепи сопротивление этого участка уменьшится, следовательно, уменьшится сопротивление всей цепи. Ток в цепи возрастет. Поскольку сопротивления остальных участков остались без изменения, то напряжения на этих участках возрастут. Но общее падение напряжения в цепи остается прежним. Следовательно, напряжение на том участке, к которому присоединяют сопротивление, должно уменьшиться. Это подтверждается опытом.
     
      123. Предскажите, как изменится сила токов в ветвях параллельного соединения при уменьшении сопротивления одной из ветвей, если неразветвленная часть цепи также содержит сопротивление. Ответ проверьте опытом.
      Ответ. При: уменьшении сопротивления одной из ветвей сопротивление параллельного соединения, а, следовательно, и общее сопротивление цепи уменьшается, поэтому ток в неразветвленной части цепи возрастет. Соответственно возрастет и напряжение на всех участках цепи, сопротивление которых не изменилось. Но так как общее напряжение в цепи осталось прежним, то напряжение на участке, содержащем параллельное соединение, уменьшится. Поэтому в тех ветвях, сопротивление которых осталось без изменения, сила тока должна уменьшиться. Но сумма сил токов в ветвях равна силе тока в неразветвленной части цепи, а она возросла. Поэтому в той ветви, сопротивление которой уменьшилось, сила тока увеличится. Выводы подтверждаются опытом.
     
      127. Придумайте удобный для демонстрации прибор, при помощи которого можно показать последовательное и параллельное соединение двух лампочек. Переход от последовательного соединения к параллельному должен осуществляться простым переключением проводов.
      Возможное ре ш е н и е приведено на рисунке 73. Все приборы монтируют на вертикальном щите. Соединительными проводниками служат полоски из жести (для лучшей видимости). Концы полосок соединяют при помощи клемм. На рисунке показано параллельное соединение лампочек. Для того чтобы перейти к последовательному соединению, достаточно убрать один из вертикальных проводников, а вместо негй поставить проводник с верхней лампочкой (см. схему).
     
      128. Придумайте установку, при помощи которой можно наглядно показать уменьшение накала ламп при параллельном включении дополнительных приемников тока и изменение напряжения на подводящих проводах.
      Возможное решение приведено на рисунке 74. Между двумя штативами с изолирующими стойками натягивают параллельно два оголенных медных провода С одной стороны концы этих проводов соединяют при помощи проводников, обладающих высоким удельным сопротивлением, с источником тока. Два других конца остаются свободными. Между параллельными проводами включают две лампочки (напряжение источника тока подбирают так, чтобы лампочки горели нормальным накалом). При помощи вольтметра измеряют напряжение на лампочках и на одном из подводящих проводников. Затем параллельно лампочкам присоединяют какое-либо сопротивление (оно должно быть значительно меньше сопротивления лампочек). Накал лампочек резко уменьшается. Снова измеряют напряжение на лампочках и на подводящем проводнике. На лампочках оно уменьшилось, на проводнике — возросло.
     
      129. Предскажите, как изменится- мощность тока на константановом проводнике, если последовательно с ним включить еще такой же проводник (других сопротивлений в цепи нет). Ответ обоснуйте, а затем проверьте на опыте.
      Ответ. При включении второго проводника сопротивление цепи увеличится вдвое, следовательно, ток уменьшится в два раза. В результате в два раза уменьшится и напряжение на первом, проводнике. Из формулы Р = IV следует, что мощность тока на первом проводнике уменьшится в четыре раза.
     
      130. Исследуйте, изменится ли мощность тока на остальных участках цепи, если к одному из последовательно включенных в цепь сопротивлений присоединить параллельно еще одно сопротивление.
      О т в е т. Параллельное присоединение проводника к какому-либо участку цепи уменьшает сопротивление этого участка, а, следовательно, и всей цепи, поэтому сила тока в цепи возрастет. Так как сопротивление остальных участков осталось без изменения, то напряжение на этих участках тоже возрастет. В результате увеличения силы тока и напряжения возрастет и мощность тока. Вывод подтверждается опытом.
     
      133. Придумайте конструкцию спирали электрического нагревателя, мощность которого можно изменять в 2 раза.
      Возможное решение приведено на рисунке 77.
      При перемещении переключателя с первого контакта на второй мощность нагревателя уменьшится в 2 раза (спирали одинаковые).
     
      134. Придумайте способ определения мощности лампочки без применения вольтметра, пользуясь только амперметром и реостатом.
      Решение. Определить силу тока, потребляемого лампочкой. Заменив лампочку реостатом, установить в цепи ту же силу тока. Тогда сопротивление включенной части реостата будет равно сопротивлению лампочки. Зная сопротивление лампочки и потребляемый ею ток, по формуле Р = PR определим мощность.
     
      136. Как продемонстрировать тепловое действие слабого тока? Придумайте — способ, используя жидкостный манометр.
      Возможное решение показано на рисунке 78. Нагреваемый проводник заключен в герметическом сосуде (колба, плотно закрытая резиновой пробкой), соединенном с жидкостным манометром.
      Благодаря высокой чувствительности жидкостных манометров, можно обнаружить даже очень слабое нагревание проводника.
     
      Электромагнитные явления
     
      137. 1) Исследовать, зависит ли направление магнитного поля электромагнита от направления тока в катушке.
      2) Зависит ли сила магнитного поля от: силы тока в катушке; материала сердечника, вводимого в кадушку; числа витков катушки.
      Оборудование: аккумулятор, магнитная: стрелка на острие, трубка из плотной бумаги длиной 12 см и диаметром 0,8 см, моток медного провода (длина провода 8 м, диаметр — 0,3 мм), три сердечника в виде пучка проволок (из меди, алюминия и железа), реостат, амперметр.
      Решение. На трубку наматывают катушку и собирают установку, изображенную на рисунке 79. 1) Магнитную стрелку устанавливают на таком расстоянии от электромагнита, чтобы при замыкании цепи она повертывалась к электромагниту одним из своих концов и устанавливалась в таком положении. Переключением проводников на аккумуляторе меняют направление тока в катушке. Магнитная стрелка при этом повертывается к электромагниту другим концом, что свидетельствует о перемене направления магнитного поля катушки.
      2) От электромагнита отодвигают стрелку на такое расстояние, чтобы при замыкании цепи она повертывалась
      на некоторый угол, но не устанавливалась вдоль оси трубки. Меняя реостатом ток в цепи, наблюдают изменение угла отклонения стрелки. Делают вывод, что сила магнитного поля электромагнита зависит от силы тока катушки: с увеличением тока сила поля возрастает, с уменьшением — уменьшается.
      Оставляя ток неизменным и не меняя расстояния стрелки от электромагнита, вводят в катушку поочередно различные сердечники. Устанавливают, что введение медного, и алюминиевого сердечника не влияет на силу поля электромагнита (стрелка остается в прежнем положении). Введение железного сердечника резко увеличивает силу поля.
      Не меняя силы тока в катушке и положения стрелки, уменьшают (или увеличивают) число витков обмотки. При этом отмечают изменение силы поля.
     
      138. Придумайте опыт, с помощью которого можно обнаружить магнитное поле тока, протекающего в жидком проводнике (электролите), и продемонстрируйте его в классе.
      Возможное решение. Собирают цепь из батареи аккумуляторов на 8—12 в, реостата и стеклянной трубки (длина 15—20 см и диаметр 4-6 см), заполненной раствором медного купороса (рис. 80). Трубка с концов закрыта резиновыми пробками с пропущенными сквозь них проводниками. Проводники присоединяют к металлическим кружочкам—электродам, диаметр которых лишь немного меньше внутреннего диаметра трубки (чем больше площадь электродов, тем меньше сопротивление столбика электролита, заключенного между ними). Под трубкой помещают магнитную стрелку на острие. До замыкания цепи трубку располагают параллельно стрелке. При пропускании тока по цепи магнитная. стрелка повертывается на некоторый угол точно так же, как в опыте Эрстеда с металлическим проводником.
     
      139. Используя школьный электромагнит с, кольцевой обмоткой (модель электромагнита от подъемного крана), исследуйте, будет ли заметным образом изменяться сила взаимодействия электромагнита с железным предметом (якорем электромагнита), если между ними’ помещать тонкие прослойки немагнитного вещества.
      Возможное решение. Электромагнит закрепляют в держателе (тисочках), как показано на рисунке 81, и через реостат подключают к источнику постоянного тока напряжением 4 в. С помощью реостата подбирают силу то- ка так, чтобы якорь отрывался силой 4—6 к, размыкают
      цепь и помещают между электромагнитом и якорем листочки бумаги: сначала один, затем два и т. д, Замыкая цепь, наблюдают, что сила, необходимая для отрывания якоря, значительно уменьшается.
     
      140. Сконструируйте и изготовьте электромагнитное устррйство, при помощи которого можно извлекать мелкие железные предметы со дна сосуда с водой, не замочив рук.
      Возможное решение. На одий из концов железного стержня наматывают катушку из медного изолированного провода диаметром 0,3—0,5 мм (200—300 витков). Катушку присоединяют к источнику постоянного тока напряжением 4—6 в (рис. 82). Если свободный конец стержня опустить в воду и замкнуть цепь, то железные предметы притянутся к нему и таким образом будут извлечены из сосуда.
     
      141. Придумайте электромагнитное устройство, автоматически размыкающее электрическую цепь, когда ток в ней достигнет предельной величины (например, 2 а). Такие устройства, называемые реле максимального тока, широко используют на практике для предохранения электрических цепей от перегрузок. Соберите и продемонстрируйте эту установку в классе.
      Возможное решение показано на рисунке 83. Цепь состоит из источника тока (щелочной аккумулятор или выпрямитель на 6—12 в), электромагнитного реле, демонстрационного амперметра и реостата, рассчитанного на ток не менее 2 а. Для реле можно использовать школьный электромагнит с кольцевой обмоткой. Над электромагнитом помещена железная пластинка, свободно повертывающаяся вокруг одного конца. Другой конец этой пластинки лежит на другой тонкой и упругой стальной пластинке (например, лезвии безопасной бритвы). При некоторой силе тока в цепи пластинка притянется к электромагниту и цепь разомкнется. Зазор между пластинкой и электромагнитом следует подобрать так, чтобы реле, срабатывало при заданной силе тока (2 а).
     
      142. Сконструируйте и изготовьте действующую модель электрического устройства, при помощи которого можно очищать немагнитные сыпучие тела (песок, соль, зерно и др.) рт мелких железных предметов (например, опилок).
      Возможное решение показано на рисунке 84. Внутрь цилиндрического барабана, сделанного из картона или плотной бумаги, помещают электромагнит (удобно использовать школьный электромагнит с кольцевой обмоткой, создающий при небольших размерах сильное магнитное поле), Барабан может вращаться вокруг своей оси при помощи проволочной рукоятки, закрепленной в деревянном (или фанерном) основании барабана. Если сыпать на барабан сверху смесь песка и железных опилок, как показано на рисунке, то опилки будут притягиваться к барабану и удерживаться на его поверхности до тех пор, пока не выйдут из поля действия магнитного поля электромагнита. После этого опилки попадут в ящик, стоящий у барабана, а песок — в другой ящик.
     
      144. В военном деле находят применение магнитные морские мины. Чувствительной частью взрывного устройства такой мины является магнитная стрелка. Когда корабль проходит над миной, магнитная стрелка повертывается, притягиваясь к железным частям корабля. При этом она замыкает электрическую цепь взрывного устройства, и происходит взрыв. Для борьбы с такими минами используются электромагнитные тральщики — специальные корабли, имеющие «противоминные пояса» — огромные катушки, которые наматывают прямо на корпус тральщика и питают током от судового генератора. Сильное магнитное поле такой катушки воздействует на магнитную стрелку мины на большом расстоянии, и мина взрывается задолго до приближения корабля, не причиняя ему вреда. Изготовьте действующую модель мины и противоминного тральщика. Механизм «мины» должен быть открытым, хорошо видным всему классу (удобно смонтировать его на вертикальной деревянной дощечке). Эту демонстрацию можно показывать, не помещая «мину» в воду. Достаточно, если требуемый эффект будет наблюдаться при перемещении модели тральщика над «миной» на высоте 8—10 см. Если катушка «тральщика» не замкнута, то «мина» должна срабатывать в тот момент, когда тральщик находится прямо над нею (при этом лампочка загорается). При замкнутой катушке «взрыв» должен произойти на расстоянии 20—25 см от «мины».
      Возможное решение приведено на рисунке 86. Моделью тральщика служит электромагнит А, которому придана форма корабля. При повороте магнитной стрелки один конец ее касается металлической пластинки и замыкает цепь взрывного устройства мины, и лампочка загорается.
     
      145. Разработайте схему включения лампы с использованием электромагнитного реле. Сигнальная лампа должна автоматически загораться, когда поезд въезжает на опасный для пешеходов участок (перегон), и гаснуть, когда он сходит с него. Если сможете, изготовьте действующую модель такой установки.
      Возможное решение приведено на рисунке 87. Моделью поезда служит металлическая тележка, катящаяся по проволокам-рельсам, уложенным на доске. Участок рельсов, расположенный на «перегоне», изолирован от остальных рельсов. На этом участке к рельсам через реостат подводится ток от батареи А, питающей электромагнит Б. В отсутствие «поезда» на перегоне ток проходит через электромагнит, который притягивает упругую стальную пластинку В. Цепь лампы разомкнута. Когда же на перегон входит «поезд», ток идет через его колеса, минуя электромагнит, и пластинка, выпрямляясь, замыкает цепь лампы.
      Примечание. Реостат в цепи электромагнита необходим, так как иначе источник тока при въезде тележки на перегон окажется замкнутым накоротко. Для хорошей работы установки необходимо обеспечить надлежащий контакт между колесами тележки и «рельсами».
     
      146. Сконструируйте установку, при помощи которой можно управлять движением игрушечного водолаза, помещенного в высокую цилиндрическую мензурку с водой. Управление должно вестись на расстоянии нескольких метров и осуществляться посредством тепла, создаваемого пламенем спиртовки при приближении к управляющему устройству (при этом водолаз должен погружаться).
      Возможное решение. В нижней части мензурки навита катушка (рис. 88), питаемая от батареи аккумуляторов (на рисунке не указано). Концы проводов катушки соединены с двумя медными, параллельно расположенными пластинками, которые помещены сверху в широкую стеклянную трубку, являющуюся одним из колен сообщающихся сосудов. Второе колено — стеклянная трубка. В сообщающиеся сосуды налит раствор медного купороса так, чтобы уровень в широкой трубке не доходил до медных пластинок. Второе колено соединено резиновой трубкой с герметически закрытой стеклянной колбой. К «водолазу» на ниточке привязывают железный стержень, который при включении катушки втягивается и тянет за собой водолаза. При поднесении пламени спиртовки к колбе уровень медного купороса в широкой трубке повышается; когда раствор достигнет пластинок, цепь катушки замывается и водолаз погружается.