Л. Гальперштейн, П. Хлебников
Введение
Физика — одна из самых важных наук о природе. Она помогает не только хорошо понять ту природу, которая уже существует, но и создавать «вторую природу» — могучую и разнообразную технику.
Изучение тепловых явлений помогло создать паровую машину, двигатель внутреннего сгорания и реактивный двигатель космической ракеты.
Изучение электрических и магнитных явлений помогло овладеть энергией электричества, создать огромные электростанции, мощные электродвигатели, жаркие электропечи, ослепительные прожекторы, сложнейшие автоматы.
Изучение сложных электрических явлений привело к созданию радио, телевидения, электронно-вычислительных машин.
Изучение свойств световых лучей не только привело к созданию очков, телескопов, микроскопов, фотографии и кинематографии, но даже дало возможность определить, из каких веществ состоят самые отдаленные звезды.
Изучение строения вещества привело к открытию атомной энергии.
Таких примеров можно привести очень много. Все то, что сегодня исследуют в своих лабораториях ученые-физики, завтра выйдет на поля и заводы, загремит по рельсам железных дорог, рванется в просторы Космоса.
Физика — наука очень древняя. Уже наши отдаленные предки наблюдали явления природы и пытались понять, как эти явления происходят. Потом они начали нарочно вызывать различные физические явления, чтобы лучше наблюдать за ними. Физика началась с опытов.
И мы с вами, приступая к изучению физики, обязательно должны будем начать с опытов. А для того чтобы делать опыты, нужны приборы.
Во многих школах есть хорошо оборудованные физические кабинеты. Там хранятся сотни приборов для постановки различных опытов. Эти приборы изготовлены на специальных фабриках.
Но даже самый простой самодельный прибор даст вам больше знаний, чем готовый фабричный. Изготовляя прибор своими руками, налаживая его, устраняя ошибки и неисправности, вы гораздо лучше вникнете в его устройство, поймете, как и почему он работает. Поэтому каждый, кто хочет действительно хорошо знать физику, обязательно должен строить приборы сам. И, если они не нужны школе, пригодятся для вашей собственной, домашней лаборатории.
А там, где школьный физический кабинет пока еще беден, плохо оборудован, юные физики могут оказать большую помощь школе. Ведь многие приборы, о которых рассказывается в этой книжке, вполне пригодны для демонстрации опытов на уроках.
Дело чести юных физиков — сделать эти приборы аккуратными, красивыми и безотказными в работе.
Приборы, которые мы здесь описываем, взяты из различных разделов школьного курса физики. Все они нами изготовлены и проверены. Многие из них делались и юными физиками, причем не только в школьной мастерской, но и дома.
Приборов в этой книжке не так много — всего около тридцати. Если вам захочется сделать и другие приборы, упоминаемые в учебнике физики, постарайтесь достать в библиотеке книгу «Физический эксперимент в школе» или другие пособия по этому вопросу. Правда, эти книги не содержат таких подробных объяснений и описаний всех приемов работы. Они рассчитаны на более подготовленного читателя. Но ведь и вы, сделав предлагаемые нами приборы, будете не так уж плохо подготовлены!
Ватерпас
Ватерпас служит для проверки горизонтальности. Простой ватерпас можно сделать из деревянного чертежного угольника.
Угольник нужен 45-градусный, то есть с одинаковыми острыми углами по 45°. Чтобы работа прибора была более наглядной, нужно увеличить имеющийся в угольнике просвет.
Расчертите угольник карандашом по нашему рисунку. Из центра, намеченного на 10 мм ниже вершины прямого угла, проведите циркулем дугу. Она должна соединить острые углы просвета. Затем по намеченному центру проверните сквозное отверстие граненым шилом. Делайте это осторожно, чтобы угольник не разошелся. Стружку все время выбирайте.
Бока получившегося отверстия соедините прямыми линиями с острыми углами просвета. Расширьте просвет по этим линиям и дуге острым ножом и отшлифуйте шкуркой.
Найдите правильное положение конца отвеса. Для этого возьмите второй чертежный угольник и наложите его на угольник ватерпаса. Одна из боковых сторон угольника должна точно совпадать с основанием ватерпаса, а другая пройти точно через его вершину. Теперь прочертите риску на дуге ватерпаса и острым ножом прорежьте по этой риске узенькую канавку.
Динамометр — это прибор для измерения силы. Обычно в динамометре используют стальную пружину. Но подходящую стальную пружину не всегда можно достать, а сделать ее самому трудно. Зато каждый из вас сможет сделать простейший динамометр с резинкой. Лучше всего достать специальную резину, которую ставят на модели самолетов. Если такую не достанете, можно вырезать полоску шириной 2 мм из старой мотоциклетной или автомобильной камеры.
Корпус динамометра (рис. 2) состоит из двух бумажных трубок.
Для того чтобы их сделать, нужен круглый стержень диаметром 15 мм. Проще всего скатать такой стержень из куска обоев или какой-нибудь другой плотной бумаги. Наружный виток закрепите клеем.
Материал для трубок — тонкая плотная бумага, например из старой тетради. Заготовленный стержень сначала оберните бумагой один-два раза без клея. Если не сделать такой прокладки, то потом готовую трубку со стержня не снимете.
Поверх прокладки сверните первую трубку из бумаги с клеем. Клей нужен жидкий столярный или же казеиновый. Очень хорош так называемый фотоклей. Жидкий конторский клей не годится.
Возьмите развернутый лист из тетради и, смазывая клеем, аккуратно навертывайте его на стержень. Только, конечно, первый виток изнутри мазать не надо, чтобы не приклеился к прокладке. А последний виток оставьте сухим снаружи.
Поверх первой трубки сделайте еще одну прокладку из одинарного тетрадного листа. Эта прокладка тоже наматывается без клея. Нужна она не только для того, чтобы вторую трубку можно было снять с первой. Важно еще, чтобы между готовыми трубками при последующей сборке остался зазор. Иначе они не смогут свободно двигаться одна внутри другой.
Поверх второй прокладки намотайте с клеем вторую трубку из развернутого тетрадного листа. Кончив клеить, стяните наружную и внутреннюю трубки со стержня и положите их сохнуть по отдельности. Когда трубки высохнут, аккуратно подровняйте ножницами их концы.
Заготовьте две деревянные пробки с утолщенными бортиками. Одна должна плотно входить во внутреннюю трубку, другая — в наружную. Бортики не дадут пробкам провалиться внутрь трубки. В центре каждой пробки просверлите сквозное отверстие.
Петли для закрепления резинки, крючок для груза и ушко для подвески всего динамометра согните из стальной проволоки (рис. 2). Годится шпилька для волос или канцелярская скрепка потолще.
Закрепив петли в пробках, приступайте к сборке динамометра. Заготовленную резинку проденьте в петлю меньшей пробки и протяните до середины. Оба конца резинки пропустите через внутреннюю трубку, вставив пробку на место. Затем один конец резинки проденьте в петлю большей пробки и свяжите с другим, концом. Надвиньте наружную трубку на внутреннюю и вставьте в нее большую пробку до упора. В наружные ушки петель вденьте крючок и ушко.
Подвесьте динамометр за ушко и посмотрите, не растягивается ли резинка от веса внутренней трубки. Если резинка растягивается — значит, она слишком свободна и ее надо укоротить, перевязав узелок. Если же резинка не вытягивается даже под действием груза весом в 3 г, прикрепленного к крючку (можете взять трехкопеечную монету и прилепить ее пластилином или варом), то резинка подвязана слишком коротко. После нескольких проб вы найдете такую длину резинки, при которой динамометр будет начинать работу от груза весом в 2–3 г.
Отградуируйте динамометр. Для этого нагружайте его разновесом или бронзовыми монетами в 1, 2, 3, 5 копеек. Вес этих монет соответственно равен 1, 2, 3 и 5 г. Для того чтобы деления, нанесенные на внутренней трубке, всегда попадали в вырез наружной, закрепите обе пробки в их трубках мелкими гвоздиками.
Градуировку производите до тех пор, пока внутренняя трубка не вытянется из наружной почти полностью. Самый большой груз, который может поднять ваш динамометр, зависит от толщины резинки. Для грузов весом до 500–700 г можете сделать второй динамометр, взяв более широкую полоску резины или круглую резинку для трусиков. Можете использовать и авиамодельную резинку, сделав вместо одной петли несколько.
Недостаток динамометра с резинкой в том, что деления получаются неодинаковой величины. Еще один недостаток— это изменение упругости резины с течением времени. Резина понемногу высыхает, становится тверже. От этого градуировка динамометра меняется.
Обоих этих недостатков нет у стальной пружины. Поэтому, если сумеете достать или сделать ее, изготовьте динамометр с пружиной. Трубки для этого динамометра можно спаять из жести. Такой динамометр будет служить долго и давать надежные показания.
Динамометр понадобится вам для различных физических опытов, например для опытов с механизмами из блоков и с прибором для определения коэффициента трения, которые описаны в этой книжке.
Можно использовать динамометр в домашнем хозяйстве. Хороший динамометр со стальной пружиной вполне заменит кухонные весы. Такие динамометры для хозяйственных целей даже выпускаются заводами. Называются они пружинными безменами.
Если вы занимаетесь рыболовством, можете взвешивать на динамометре пойманных вами рыб. Это избавит вас от ошибок, в которые так легко впадают некоторые увлекающиеся рыболовы.
Наконец, с помощью динамометра можно научиться определять вес разных предметов «на руку». Прикинув предмет в руке, проверяйте его вес динамометром. Сначала вы будете делать очень большие ошибки. Но постепенно, по мере тренировки, можно научиться определять вес довольно точно.
Сосуд с отверстиями
Этот прибор показывает, как распределяется давление в столбе жидкости.
Сосуд сделайте из трех одинаковых консервных банок. Лучше всего подойдут банки из-под сгущенного молока, кофе, какао. Их легко паять, потому что они сделаны из хорошо луженной жести. Несколько хуже банки из-под зеленого горошка. Тщательно вымойте банки горячей водой и протрите ершиком, чтобы удалить все остатки содержимого.
Две банки из трех откройте также и с другого конца, удалив донышки. После этого кусачками разогните за-вальцованные края банки. Только у одной банки, которая будет наверху, оставьте верхний край. Края стенок осторожно выпрямьте молотком и затем аккуратно срежьте ножницами по шву загиба.
Каждая верхняя банка должна надеваться на нижнюю. Для этого ее нижний край нужно расширить, расклепав его молотком на наковальне, куске рельса или другом гладком стальном предмете. Еще лучше расклепывать, надев банку на кусок стальной трубы, зажатый в тиски. Труба может быть и небольшого диаметра. Особенно сильно не бейте: банка расширяется легко.
Вокруг каждой банки красным карандашом прочертите риску, отступив на 3–4 мм от верхнего края.
Насадите вторую банку на нижнюю, доведя ее край до красной риски. Паяльником прихватите стык в двух местах, следя за тем, чтобы край был точно на риске. Таким же образом насадите и прихватите третью банку.
Положите сосуд боком на стол или другую ровную поверхность и, перекатывая его с боку на бок, проверьте, не перекосились ли банки. Тщательно выровняйте сосуд, перепаяв, если нужно, отдельные места спайки. Только после этого можно прихватить стыки еще в нескольких местах и затем тщательно пропаять их по всей окружности.
Вдоль боковой стенки сосуда проведите по линейке линию. Отложив 10 мм от дна, сделайте на этой линии засечку. Здесь будет нижнее отверстие. Остальные два отверстия нужно наметить на этой же линии, отложив по 10 мм вверх от каждого спаянного шва.
Сверлом диаметром около 2 мм просверлите все три отверстия. Старайтесь сверлить точно. Если отверстия пойдут вкось, правильная работа прибора будет нарушена.
Под прибор нужно сделать подставку. Мы согнули и припаяли три ножки из медной проволоки. Если вам эта конструкция не нравится, можете сделать любую другую. Высота подставки должна быть около 100 мм.
Для сбора воды, вытекающей из отверстий, используйте большую фотографическую кювету или другую посудину шириной не менее 500 мм. Если ничего подходящего не найдете, согните из куска жести четырехугольный противень. Как его делать, ясно из рисунка 3.